[UNIX] ⑤ 프로세스(Process)

0. Program Layout

main() 함수

int main(int argc, char* argv[]);

• arguments

  name	desc
  argc	command-line 인수의 수
  argv	인수를 가리키는 포인터 배열

• 커널의 exec 함수 중 하나로 C 프로그램이 실행되면, main 함수가 실행되기 전에 special start-up routine이 호출된다.

• 실행가능 한 프로그램 파일은 이 루틴을 프로그램의 시작 주소로 지정한다.

• 이 start-up 루틴은 커널로부터 값을 가져온다.

  1. command-line arguments
     • 프로그램이 실행될 때, exec를 수행하는 프로세스는 새로운 프로그램에게 command-line arguments를 전달할 수 있다.
  2. environment variables
     • character pointer의 배열
     • 포인터 배열의 주소는 전역 변수 environ을 포함한다.
     • getenv나 putenv로 접근할 수 있다.
     • 대부분 UNIX 시스템은 main 함수에게 세 번째 인수로 제공한다.
       

       

Memory Layout a C Program

• C 프로그램의 구성
  

  

  • text(Code) segment
    • 실행될 프로그램 명령
  • initialized data segment
    • 초기화된 전역 변수와 정적 변수
  • uninitialized data segment(bss)
    • 초기화되지 않은 전역 변수와 정적 변수
    • segment의 데이터는 프로그램이 실행되기 전에 커널에 의해 0 또는 null로 초기화됨
  • Stack
    • 로컬 변수 및 함수가 저장되는 영역
    • 함수가 호출될 때, 함수의 자동 변수는 스택의 맨 위에 할당
    • 함수가 리턴될 때, 변수들은 해제된다.
  • Heap
    • 동적 메모리가 할당되는 영역
• 초기화되지 data segment의 않은 상수는 디스크에 있는 프로그램 파일에 저장되지 않는다.
• 프로그램 파일에 저장되어야 하는 프로그램의 부분은 test segment와 초기화된 데이터이다.
• 전역 변수 초기화하는 경우가 컴파일 했을 때 크기가 더 커진다.

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1. 프로세스 표기법

Process

• 실행 중인 프로그램의 인스턴스
• 프로세스는 실행중인 프로그램에 해당한다.
• 프로그램 != 프로세스
• 프로세스이 포함하는 것들
  • 프로그램 코드
  • 프로그램 변수안의 데이터 값
  • 하드웨어 레지스터
  • 프로그램 스택
• 프로세스는 process-id(pid)로 식별된다.
• 쉘은 새로운 프로세스를 생성할 수 있다.
• 프로세스 환경
  • 부모 프로세스에서부터 시작된다.
  • 파일 시스템의 디렉토리 트리와 유사한 계층 구조를 제공
  • init process
    • 프로세스 트리의 최상단에 위치
    • 궁극적으로 모든 시스템과 사용자 프로세스의 조상
• 프로세스 생성 및 조작을 위한 system call 제공

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2. 프로세스 생성

• PID
  • 모든 프로세스는 고유의 process ID를 갖고 있다.
  • 음수 아님
  • 유니크하지만 pid는 재사용될 수 있다.

getpid()

pid_t getpid(void);

status	return value
success	호출된 프로세스의 PID

getppid()

pid_t getppid(void);

status	return value
success	호출된 프로세스의 PPID

fork()

• 호출한 프로세스의 복제한 새로운 프로세스 생성

pid_t fork(void);

status	return value
success	child process일 때 0, 부모일 때 child의 PID
error	-1

• 자식 프로세스는 부모 프로세스의 data space, heap, stack를 복사해간다.
• 부모와 자식은 서로 메모리를 공유하지 않는다.
• 부모와 자식은 text segment를 공유한다.
• 자식과 부모 프로세스 간 실행 순서는 스케줄링 알고리즘이 결정하기 때문에 사용자가 알 수 없다.
• pid로 부모와 자식을 구분할 수 있다.
  • parent : non-zero, positive integer
  • child : 0
• Limit error : 프로세스의 수에 제한이 있음

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3. exec로 새로운 프로그램 실행

exec family

• exec family는 새로운 프로그램의 실행 초기화에 사용된다.
• 새로운 프로세스를 생성하는 것이 아니기 때문에 exec로 인해 pid가 변경되지는 않는다.
• exec는 단지 디스크에서 현재 프로세스를 새로운 프로그램으로 교체한다.
  • text, data, heap, stack segment
• exec가 리턴하면 호출을 실패한 것

int execl(const char* pathname, const char* arg0, .../*NULL*/);
int execv(const char* pathname, char* const argv[]);

// 현재 환경 변수 대신 인자의 환경 변수 사용
int execle(const char* pathname, const char* arg0, .../*NULL*/, char* const envp[]);
int execve(const char* pathname, char* const argv[], char* const envp[]);

// PATH 환경 변수에서 filename 찾음
int execlp(const char* filename, const char* arg0, .../*NULL*/);
int execvp(const char* filename, char* const argv[]);

status	return value
success	no return
error	-1

• l : list
• v : array
• e : environment
• p : path 환경 변수

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4. exec와 fork 함께 사용하기

	program file	process
fork	same	diff(새로 생성)
exec	diff(덮어 써버림)	same

#include <unistd.h>

int fatal(char *s){
   perror(s);
   exit(1);
}

int main(){
   pid_t pid;
   switch (pid = fork()){
   case -1:
      fatal("fork failed");
   case 0:
      /*자식이 exec을 호출 */
      // 부모의 코드를 그대로 복제했기 때문에 exec 실행
      execl("/bin/ls", "ls", "-l", (char*)0);   // 데이터 덮어 쓰기
      fatal("exec failed");     // 호출 실패 시 에러 생성
      break;
   default:
      /* 부모가 자식이 끝날 때까지 수행이 일시 중단하기 위해 wait을 호출 */
      wait((int*)0);
      printf("ls completed\n");
      exit(0);
   }    
}

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5. 상속되는 데이터와 file descriptor

fork() 와 file, data

• 부모에서 열린 모든 파일은 자식에서도 열려 있다.
• 자식과 부모는 file offset을 공유한다.
  • 자식 프로세스에서 표준 출력을 쓰면 부모의 offset도 업데이트된다.

부모에게서 상속되는 속성들(fork())

• Real user ID, real group ID
• Supplementary group IDs
• Process group ID
• Session ID
• Controlling terminal
• Current working directory
• Root directory
• File mode creation mask
• Resource limits
• effective user ID, effective group ID
• The set-user-ID and set-group-ID flags
• Signal mask and dispositions
• The close-on-exec flag for any open file descriptors
• Environment
• Attached shared memory segments
• Memory mappings

부모와 자식의 차이

• fork의 리턴 값
• pid
• ppid
• 자식의 tms_utime, tms_stime, tms_cutime, tms_cstime 값은 0으로 세팅
• 부모가 세팅한 lock file은 자식에게 상속되지 않음
• 자식에서 alarm() pending 초기화(상속되지 않음)
• 세팅된 pending signal은 자식에서 초기화(상속되지 않음)

exec와 파일 열기

• 완전히 새로운 프로그램이 exec로 시작될 때, 원본 프로그램에서 연 파일은 계속 open한 상태를 유지한다.
• file offset은 exec 호출로 인해 바뀌지 않는다.
• close-on-exec flag를 설정하면, exec이 실행될 때 열린 파일이 닫힌다.

호출한 프로세스에게서 상속되는 속성들(exec())

• Real user ID and real group ID
• Supplementary group IDs
• Process group ID
• Session ID
• Controlling terminal
• Current working directory
• Root directory
• File mode creation mask
• Resource limits
• Time left until alarm clock
• File locks
• Process signal mask
• Pending signals
• Values for tms_utime, tms_stime, tms_cutime, and tms_cstime

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6. exit로 프로세스 종료

• 프로세스 종료하는 8가지 방식
  • 정상적인 종료
    1. main return
    2. exit 호출
    3. _exit or _Exit 호출
    4. start routine에서 마지막 스레드 return
    5. 마지막 스레드로에서 pthread _exit 호출
  • 비정상적인 종료
    1. abort 호출
    2. 시그널 수신
    3. 취소 요청에 대한 마지막 스레드의 응답

exit()

// <stdlib.h>
void exit(int status);
void _Exit(int status);

// <unistd.h>
void _exit(int status);

• exit의 인수 status는 하위 8개 비트를 사용하여 부모 프로세스로 전달된다. 부모 프로세스에서는 상위 8개 비트를 사용하여 받는다.
• 관례상 프로세스가 return
  • 0 : 정상적인 종료
  • 0이 아니면 무언가 잘못되었음
• _exit과 _Exit은 커널로 즉시 return 된다.
• exit는 standart I/O library, 버퍼, 파일 등을 처리한 후 return 된다.
• exit(0)은 main에서 return(0)을 한 것과 같다.

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7. 프로세스 동기화

자식 프로세스 동기화

• 프로세스가 종료될 때
  • 커널은 프로세스의 모든 열린 descriptor를 닫고 사용하던 메모리를 해제한다.
  • 커널은 프로세스를 종료하기 위해 proc entry만 유지한다. (pid, 종료 상태-상태(상태), CPU 시간)
  • 이 정보는 종료 과정의 상위 프로세스가 확인할 때까지 남아 있다.
  • 종료 프로세스의 부모는 wait()을 통해 이 정보를 확인한다.
  • wait() 후 종료 프로세스의 proc entry가 proc table에서 해제된다.

wait()

pid_t wait(int* statloc);

status	return value
success	chidl pid, blocking wait
non-blocking wait	0
error	-1

• 자식 프로세스가 실행되는 동안 잠시 suspending 된다.

• 자식 프로세스가 종료되면, 기다리던 부모 프로세스가 재시작된다.

• 하나 이상의 자식 프로세스가 실행중일 때 아무 자식이나 종료될 때 wait도 return 된다.

• return value가 -1일 경우, 자식이 존재하지 않는 것이다.

• 부모 프로세스는 자식을 기다리며 무한정 대기할 수 있다.

• statloc으로 자식이 죽을 때 정보를 가져올 수 있다.

    int status;
    pid = wait(&status);

waitpid()

pid_t waitpid(pid_t pid, int* statloc, int options);

status	return value
success	chidl pid, blocking wait
non-blocking wait	0
error	-1

• arguments

  • pid

    pid	desc
    -1	아무 자식이나 기다림
    > 0	해당 pid를 가진 자식 프로세스를 기다림
    0	호출한 프로세스와 같은 프로세스 그룹인 자식 아무나 기다림
    < 0	해당 pid의 절대값에 해당하는 프로세스 그룹에 속한 자식 아무나 기다림

  • optoins

    constant	decs
    WCONTINUE	자식 프로세스가 stop되었다가 다시 continue될 경우 return
    WNOHANG	non-blocking wait, 종료된 child가 없으면 0
    WUNTRACED	자식 프로세스가 stop될 경우 return

wait() & waitpid() 함수

• wait()는 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스를 block할 수 있다.
• waitpid()는 WNOHANG 옵션을 이용하여 non-blocking wait을 할 수 있다.
• waitpid()는 첫 번째로 종료되는 자식을 기다리는 것이 아니라, waiting할 자식 프로세스를 지정할 수 있다.

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8. Zombie and premature 종료

zombie 프로세스

• 부포 프로세스가 종료된 자식 프로세스를 wait()하고 있는 경우
• ps에서 "Z" status
• 좀비는 부모가 wait()이나 waitpid()를 호출할 때까지 떠돈다.
• 실행은 완료하였지만, process table에 entry가 존재하는 프로세스

orphan 프로세스

• 자식 프로세스보다 부모 프로세스가 먼저 종료될 경우
• init 프로세스(pid=1)가 고아 프로세스의 부모가 된다.
• init process는 주기적으로 자식을 기다린다.
  고아 좀비가 제거된다.

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9. smallsh command processor

command processor의 기본 로직

while(EOF not typed)
{
    Get command line from user <- userin()
    Assemble command args and execute <- procline()
    Wait for child
}

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10. Process 속성

pid

pid_t getpid(void);     // Returns: process ID of calling process
pid_t getppid(void);    // Returns: parent process ID of calling process
uid_t getuid(void);     // Returns: real user ID of calling process
uid_t geteuid(void);    // Returns: effective user ID of calling process
gid_t getgid(void);     // Returns: real group ID of calling process
gid_t getegid(void);    // Returns: effective group ID of calling process

pid 0 & 1

• scheduler process(swapper) : pid 0
  • kernel의 한 부분이고 시스템 프로세스로 알려져 있다.
  • 디스크에 프로그램이 없다.
• init process : pid 1
  • bootstrap 절차가 끝날 때 커널에 의해 호출된다.
  • 절대 죽지 않는다.
  • swapper처럼 superuser 특권으로 돌아가지만, 커널 안의 시스템 프로세스가 아니고 user process이다.

Process group과 process group-id

• 프로세스 그룹은 하나 이상의 프로세스가 모인 집합이다.
  • 보통 같은 job으로 연관되어 있다.
  • pipe로 연결되어 있다.
• 각 프로세스 그룹은 유니크한 프로세스 group-id를 갖는다.
• 프로세스 gid는 pid와 유사하다.
  • 양수
  • pid_t data type
• 각 프로세스 그룹은 프로세스 그룹 리더를 가질 수 있다.
  • pid == pgid 이면 그룹 리더이다.

pid_t getpgrp(void);        // Returns: process group ID of calling process
pid_t getpgid(pid_t pid);   // Returns: process group ID if OK, -1 on error

setpgid()

• 프로세스 group-id 변경

int setpgid(pid_t pid, pid_t pgid);     // Returns: 0 if OK, -1 on error

• arguments

  arg	desc
  pid == pgid	해당 pid 프로세스가 프로세스 그룹 리더가 됨
  pid == 0	호출한 프로세스의 pid 사용
  pgid == 0	해당 pid 프로세스가 프로세스 그룹 id로 사용

• process-id가 pid인 프로세스의 process group-id를 pgid로 변경한다.

• 프로세스는 오직 자기 자신 혹은 그의 자식 프로세스의 pgid만 변경할 수 있다.

• 자식 프로세스가 exec()를 호출한 후엔 pgid를 변경할 수 없다.

Session과 session-id

• session은 하나 이상의 프로세스 그룹이 모인 집합이다.
• 세션 안에 있는 프로세스 그룹은 single foreground process group과 하나 이상의 background process group으로 나뉜다.

현재 작업 디렉토리와 루트 디렉토리

• 현재 작업 디렉토리
  • 현재 작업 중인 디렉토리는 프로세스에서 시작된 fork()와 exec()로부터 상속된다.
  • 프로세스마다 가지고 있는 속성이다.
  • chdir()를 이용하여 자식 프로세스가 위치를 변경하여도, 부모 프로세스의 현재 작업 중인 디렉토리는 변하지 않는다.
• 현재 루트 디렉토리
  • 각 프로세스는 절대 경로 탐색에 사용되는 루트 디렉토리와 관련이 있다.
  • 계층 파일 시스템이 시작되는 곳