프로세스 생성 (Process Creation)

29 Aug 2024 in Study / about CS

이화여대 ‘반효경’교수님의 Operating Systems강의 중, ‘Process Management 1 & 2’강의를 수강하고 학습합니다.

Copy-on-write (COW) 내용이 변경될 때 메모리를 복사합니다.

• *부모 프로세스(Parent process)**는 **자식 프로세스(Child process)**를 생성합니다.
• 자식이 생성되면, 프로세스 트리가 형성됩니다.
• 프로세스는 자원을 필요로 하며, 이를 운영체제로부터 받거나 부모와 공유할 수 있습니다.

자원의 공유 모델

1. 모든 자원을 공유하는 모델: 부모와 자식이 모든 자원을 공유합니다.
2. 일부 자원을 공유하는 모델: 일부 자원만 부모와 자식이 공유합니다.
3. 전혀 자원을 공유하지 않는 모델: 일반적으로 사용되는 모델입니다.

수행 (Execution)

• 부모와 자식이 동시에 수행되는 경우
• 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스가 기다리는 경우

프로세스 생성 방법

주소 공간 (Address Space):

• 자식 프로세스는 부모의 공간을 복사합니다. 이는 실행 중인 프로그램의 코드와 데이터를 포함합니다.
• 자식 프로세스는 기존 공간에 새로운 프로그램을 로드할 수 있습니다.

프로세스 종료 (Process Termination)

• 프로세스가 종료되는 경우:
  • 마지막 명령어를 수행한 후 운영체제에 이를 알립니다. (exit 시스템 호출)
  • 자식 프로세스가 부모 프로세스에게 출력 데이터를 전송합니다. (wait 시스템 호출을 통해)
  • 프로세스가 사용하던 자원은 운영체제에 반환됩니다.
• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 종료시키는 경우:
  • 자식이 할당된 자원의 한계를 초과한 경우
  • 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않을 경우
  • 부모가 종료하는 경우: 이때 운영체제는 자식이 더 이상 수행되지 않도록 합니다.

Copy-on-Write (COW) 메커니즘

Copy-on-Write (COW):

• COW는 효율적인 메모리 관리 기법으로, 프로세스가 fork()를 호출할 때 부모 프로세스의 메모리 공간을 자식 프로세스가 복사합니다. 그러나 메모리의 실제 복사는 자식 또는 부모 프로세스가 메모리 내용을 변경할 때까지 지연됩니다. 이 방식은 메모리 사용을 최소화하고 성능을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

COW의 장점:

• 자식 프로세스가 부모 프로세스의 메모리 내용을 수정하지 않는다면, 메모리 공간이 불필요하게 복사되지 않으므로 자원을 효율적으로 사용합니다.
• 이는 특히 많은 자식을 생성하거나, 자식이 생성된 후 곧바로 새로운 프로그램을 로드하는 경우에 유리합니다. 예를 들어, fork()와 exec()를 조합하여 자식을 생성하고 새로운 프로그램을 실행할 때, COW는 메모리 사용을 최소화할 수 있습니다.

System call

시스템 콜: fork(), exec(), wait(), exit()

fork() 시스템 콜:

• fork()는 새로운 프로세스를 생성하며, 부모 프로세스의 주소 공간을 복사하여 자식 프로세스가 동일한 메모리 공간을 갖도록 합니다. 그러나 자식 프로세스의 PID는 다릅니다.

exec() 시스템 콜:

• exec()는 기존의 프로세스 메모리 이미지를 새로운 프로그램으로 대체하여 다른 프로그램을 실행할 수 있게 합니다. 이 시스템 호출이 실행되면, 이전에 실행되던 프로그램의 코드와 데이터는 메모리에서 제거되고 새로운 프로그램이 로드됩니다.

wait() 시스템 콜:

• 부모 프로세스는 wait() 시스템 호출을 사용하여 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다릴 수 있습니다. 이 호출이 실행되면, 부모 프로세스는 자식 프로세스가 종료될 때까지 대기 상태로 전환됩니다.

exit() 시스템 콜:

• 프로세스는 마지막 명령을 수행한 후 exit() 시스템 호출을 통해 운영체제에 자신의 종료를 알립니다. 또한, 자발적 종료 외에도 부모 프로세스에 의해 비자발적으로 종료될 수 있습니다.

fork() 시스템 콜

• A process is created by the fork() system call.
  • creates a new address space that is duplicate of the caller.

int main()
{ int pid;
	print("\n Hello, I am child\n");
	pid = fork();
	if (pid == 0)  /*this is child*/
		print("\n Hello, I am child!\n");

	esle if (pid > 0)  /*this is parent*/
		print("\n Hello, I am parent!\n");
}

부모 함수는 fork() 를 만난 시점부터 자식을 생성하고, 자식은 fork() 를 만난 시점 이후부터 시작된다.

문제점

1. 자식이 부모프로세스를 복제본 취급할 수 있는 문제점
2. fork를 하면 똑같은 프로그램이 만들어지니까 fork로 인해 만들어진 복제본이 똑같은 제어흐름을 따라가야 할 거같은 문제점

⇒ fork() 를 실행하고 나면 부모 프로세스는 fork를 실행하면 도출되는 결과값이 자식과는 다르다. 부모 프로세스는 결과값으로 양수를 받고, 자식은 0을 받는다. 이 값으로 부모와 자식을 구분짓는다.

exec() 시스템 콜

exec() 시스템 호출을 통해 프로세스가 다른 프로그램을 실행할 수 있습니다.

• 호출자의 메모리 이미지를 새로운 프로그램으로 대체합니다.

int main()
{ int pid;
	pid=fork();
	if(pid == 0)  /*this is child*/
	{ print("\n Hello, I am child! Now I'll run date \n");
		execlp("/bin/date", "bin/date", (char*)0);
	}
		else if(pid > 0)  /*this is parent*/
			print("\n Hello, I am parent!\n");
	}

부모 프로세스가 자식을 만들었을때, 자식은 pid가 0을 가지고 if조건문의 첫번째 print를 출력후, execlp() 를 만나 새로운 데이터로 다시 태어납니다. 새로운 데이터로 뒤집어 씌워지면 다시 이전 상태로 돌아갈 수 없습니다.

• 만약 execlp() 이후에 추가코드가 있다 하더라도 실행을 하지 못합니다.

wait() 시스템 콜

자식이 종료될 때 까지 실행하는 시스템 콜입니다.

• 프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출하면
  • 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스A를 sleep시킵니다. (block상태)
  • Child process가 종료되면 커널은 프로세스A를 깨웁니다. (ready상태)

exit() 시스템 콜

• 프로세스의 종료
  • 자발적 종료
    • 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해
    • 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어줍니다
  • 비자발적 종료
    • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시킴
      • 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원 요청
      • 자식에게 할당 된 태스크가 더 이상 필요하지 않음
    • 키보드로 kill break등을 친 경우
    • 부모가 종료하는 경우
      • 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식을이 먼저 종료됩니다.

프로세스 간 협력 (Inter-Process Communication, IPC)

독립적 프로세스 (Independent Process):

• 독립적 프로세스는 각자 고유한 주소 공간을 갖고 수행되므로 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 않습니다.

협력 프로세스 (Cooperating Process):

• 협력 프로세스는 특정 메커니즘을 통해 서로의 수행에 영향을 미칠 수 있습니다.

프로세스 간 협력 메커니즘 (IPC):

• 메시지 전달 (Message Passing) 커널을 통해 메시지를 전달하는 방식으로, 프로세스 간에 공유 변수를 사용하지 않고 통신합니다.
• 공유 메모리 (Shared Memory): 서로 다른 프로세스가 일부 주소 공간을 공유하는 방식으로, 효율적인 데이터 교환이 가능합니다.
• 메시지를 전달하는 방법
  • message passing: 커널을 통해 메세지 전달
• 주소 강간을 공유하는 방법
  • shared memory: 서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 shared memory 메커니즘이 있습니다.
  • thread: thread는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기에는 어렵지만, 동일한 process를 구성하는 thread들 간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능합니다.

Message Passing

• Message system
  • 프로세스 사이에 공유 변수(shared variable)를 일체 사용하지 않고 통신하는 시스템
• Direct Communication
  • 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시
• Indirect Communication
  • mailbox (또는 port)를 통해 메시지를 간접 전달

CPU and I/O Bursts in Program Execution

프로그램 실행 동안 CPU와 I/O 작업이 연속적으로 수행되며, CPU 작업(CPU bursts)과 I/O 작업(I/O bursts)의 길이와 빈도는 서로 다릅니다.

CPU-burst Time의 분포

CPU-burst Time graph

CPU-Burst Time의 분포:

• 대부분의 CPU 시간이 CPU-bound 작업에 의해 사용

됩니다. 이는 긴 시간 동안 CPU를 집중적으로 사용하는 작업입니다. 반면, I/O-bound 작업은 빈도가 높지만 상대적으로 짧은 CPU 사용 시간을 가지며, 주로 I/O 장치의 응답을 기다리는 시간이 많습니다.

CPU 스케줄링의 필요성:

• 다양한 작업(job)이 섞여 있어, 효율적인 CPU 스케줄링이 필요합니다. 특히 I/O-bound 작업이 지나치게 오래 기다리지 않도록 하는 것이 중요합니다. 이를 통해 시스템 자원을 골고루 효율적으로 사용할 수 있으며, 사용자에게 적절한 응답 시간을 제공할 수 있습니다.

CPU 스케줄러와 디스패처 (CPU Scheduler & Dispatcher)

CPU 스케줄러 (CPU Scheduler):

• CPU 스케줄러는 Ready 상태에 있는 프로세스 중에서 다음에 CPU를 사용할 프로세스를 선택합니다.

디스패처 (Dispatcher):

• 디스패처는 CPU 스케줄러에 의해 선택된 프로세스에게 CPU 제어권을 넘깁니다. 이 과정은 문맥 교환 (Context Switching)이라 불리며, 프로세스 간의 전환을 의미합니다.

CPU 스케줄링이 필요한 경우

1. Running → Blocked: 예를 들어, I/O 요청과 같은 시스템 호출을 통해 프로세스가 수행을 중단하고 대기 상태로 전환될 때.
2. Running → Ready: 할당된 CPU 시간이 만료되어 타이머 인터럽트가 발생했을 때.
3. Blocked → Ready: I/O 작업이 완료된 후 대기 중이던 프로세스가 다시 준비 상태로 전환될 때.
4. Terminate: 프로세스가 종료될 때.

스케줄링 방식:

• Non-preemptive (비선점형) 스케줄링: 프로세스가 자발적으로 CPU를 반납하는 경우로, 1번과 4번 상황에 해당합니다.
• Preemptive (선점형) 스케줄링: 프로세스가 강제로 CPU를 빼앗기는 경우로, 2번과 3번 상황이 이에 해당합니다.