KOCW_Process Management

✅ Multi process

• 하나의 프로그램 안에서 여러개의 프로세스를 실행하는 기술
• 하나의 부모 프로세스가 자식 프로세스 생성
• 프로세스 끼리는 서로 독립적인 메모리를 가진다.
• 예를 들어 프로그램: 크롬을 실행하고 프로세스: 여러개의 크롬 창을 띄운다.

✅ Process Creation: fork(), exec()

부모 프로세스 parent process가 자식 프로세스 children process를 생성

• 자식 프로세스는 부모 프레세스의 복사본이다.

• 프로세스의 트리(계층 구조) 형성

• 프로세스 생성은 운영체제가 담당한다.
  • 운영체제가 프로세스 PCB도 만들고 해야 하기 떄문에 사용자 프로세스가 할 수는 없음
• 1️⃣번째로 프로세스를 생성할 때는 운영체제가 직접 생성한다.
• 2️⃣번째로 프로세스를 생성할 때는 이미 존재하는 프로세스를 복제하여 생성하게 된다.
• 이미 존재하는 프로세스: 부모 프로세스, 복제된 프로세스: 자식 프로세스
• 프로세스 생성은 system call을 통해 자식 프로세스 생성을 부탁
• 이 system call을 fork() system call이라고 부른다.

❓ 왜 프로세스를 복제해서 생성할까?

• 프로세스를 새로 생성하고 새롭게 자원을 할당하는데 오랜 시간이 걸리기 때문이다.
• 따라서 이미 생성된 프로세스부터 자원을 물려받는 복제 형태로 생성

☑️ 부모, 자식 프로세스와 자원

• 프로세스는 자원을 필요로 한다.
• 운영체제로부터 자원을 받는다
• 부모와 공유하기도 한다.
• 원래 프로세스끼리는 자원을 서로 가지기 위해 싸우는데,
• 부모, 자식 프로세스 간에는 공유하기도 한다.
• 🆚 thread 간에 하나의 프로세스 내에서 자원을 공유하는 거랑은 다름

☑️ 부모, 자식 프로세스의 수행 execution

• 부모와 자식 프로세스는 서로 독립적으로,
• 원래는 서로 경쟁해야 하지만
• 서로 wait(block)되기를 기다리는 경우도 있다.

☑️ 주소 공간 address space

• 자식 프로세스가 생성되면 독자적인 address space를 가지게 된다.
• 자식의 주소 공간은 부모의 address space를 그대로 복제한다.
• 하지만 프로세스끼리는 물리적인 주소 공간은 항상 다르다
• 프로세스 ID를 제외한 모든 정보(커널 정보, 주소 공간 정보)를 그대로 복사
• 따라서 자식의 주소 공간은 부모 code, data, stack를 모두 그대로 복사
• 따라서 현재 부모가 어디까지를 수행했느냐를 stack에 저장하고 있으니, 거기서부터 수행 시작
• 처음부터 수행 시작하는 것이 아님 ❌

❓ 그럼 자식 프로세스에다가 부모와는 다른 프로그램을 돌리고 싶다면?

• 우선 fork() 시스템콜을 통해 부모를 복사해 새로운 프로세스를 생성하고
• 그러면 부모를 그대로 복사(OS data except PID + binary)
• 자식 프로세스가 다른 프로그램을 수행하기 위해서는 생성된 address space위에 새로운 프로그램 주소 공간을 덮어씌워 수행한다.
• exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올린다.

fork() system call 🆚 exec() system call

• fork() system call: 부모 프로세스를 복사해 자식 프로세스 생성
• exec() system call: 새로운 프로그램을 메모리에 올림

💡 fork()

process is created by fork() system call create a child(copy)

• create new adress space that is duplicate of the caller
• 생성 후 부모, 자식 중 누가 먼저 CPU를 잡을지는 모름!

❓ 그러면 자식 프로세스와 부모 프로세스를 어떻게 구분하나요?

• 부모 프로세스는 fork system call을 하고 나면, 자식의 PID를 return값으로 가지게 된다.
• fork 함수는 부모 프로세스에게는 자식 프로세스의 PID를 반환
• 자식 프로세스에게는 0을 반환
• 따라서 부모 프로세스는 return 값이 양수
• 반면 자식 프로세스는 fork의 결과값를 0으로 가지게 된다.

int main()
{
    int pid;
    pid = fork(); //이 순간 똑같은 프로세스 복제 생성
    if(pid == 0) printf("\n I am child process");
    else if(pid > 0) printf("\n I am parent process");
}

💡 exec()

process can execute a different program by the exec() system call
overlay new image

• replaces the memory image of the caller with a new program
• 새로운 프로그램으로 덮어씌우는 함수
• 새로운 프로그램의 이름을 따옴표 안에 적고, 전달할 argument 나열, 0포인터 보내기

int main(){
    printf("\n hello");
    execlp("/bin/date", "bin/date", (char*) 0);
    printf("\n bye");
}

// hello는 출력됨
// execlp이 실행되므로 date라는 완전히 새로운 프로그램으로 덮어씌워짐
// 따라서 bye는 출력되지 않음

• 부모와 자식 프로세스 생성 후 자식 프로세스는 다른 일 시키기 예시 코드

int main()
{
    int pid;
    pid = fork(); //이 순간 똑같은 프로세스 복제 생성
    // 자식은 새로운 프로세스로 덮어씌우기
    if(pid == 0) execlp("/bin/date", "bin/date", (char*) 0);
    //부모는 하던 프로세스 계속 하기
    else if(pid > 0) printf("\n 나는 부모, 하던 프로세스 계속하기");
}

💡 wait()

parent process is blocked until the child process is terminated by the wait() system call
sleep until child is done

• 자식을 fork()를 통해 만든 후,
• 부모가 자식 프로세스에게 wait()을 하게 되면
• 부모는 자식이 종료될 때까지 block된다.
  • block: I/O작업처럼 오래 기다려야 하는 작업이 있을 때 CPU를 줘봤자 소용이 없으니 프로세스를 sleep시키는 프로세스 상태
• 자식 프로세스가 종료되면 부모 프로세스가 CPU를 얻을 수 있게 된다.

❓ 왜 wait()을 통해 부모 프로세스를 block할까?

• wait()을 하지 않으면 부모, 자식 프로세스는 경쟁 관계가 된다.
• CPU를 먼저 얻으려고 경쟁
• 따라서 wait()을 통해 자식이 먼저 실행되고 ➡️ 부모 실행

✅ Process Termination: exit(), abort()

💡 exit()

free all resource, notify parent process

• 프로세스가 자발적으로 종료하는 경우
• 프로세스 종료를 위해 마지막 명령 수행 후 운영체제에게 이를 알림
• 마지막 statement 수행 수 exit() 시스템 콜 통해 종료

• 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어줌

• 프로세스 생성은 계층구조이므로 자식이 부모보다 먼저 종료됨
• 자식이 부모에게 output data를 보냄 via wait
• 프로세스의 각종 자원들을 운영체제에게 반납

💡 abort()

• 프로세스가 강제로 종료돠는 경우

• 부모 프로세스가 자식 프로세스의 수행을 강제로 종료

• ❓ 언제 abort system call

  • 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어서거나
  • 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않거나
  • 키보드로 kill, break하는 경우
  • 부모가 exit하는 경우
• 부모가 exit하는 경우
  • 원래 프로세스는 자식부터 종료되어야 하는데, 이 경우는 반대
  • 운영체제는 부모가 exit하면 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않음
  • 단계적인 종료
  • 예를 들어 창을 띄워놓고 그 창 안에서 여러 작업을 하다가 창을 닫으면 ➡️ 그 안에서 돌아가던 작업들이 다 종료되는 것과 마찬가지

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✅ 프로세스 간 협력

• ✔️ 독립적 프로세스 Independent process
• 원칙적으로 프로세스는 독립적, 서로 더 자원을 얻기 위해 경쟁하는 관계
• 프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행
• 프로세스는 다른 프로세스의 메모리 공간을 볼 수 없음
• 각자 자신의 VM안의 address space만 접근할 수 있음!

• 따라서 다른 프로세스 수행에 영향을 미칠 수 없음

• ✔️ Cooperating process

• 하지만 협력 메커니즘을 통해 다른 프로세스 수행에 영향을 미칠 수도 있음

• ✔️ IPC
• 프로세스 간 협력 메커니즘

✅ Inter Process Communication

IPC: inter process communication
프로세스 간 협력을 위해
운영체제게 제공하는 프로세스 간 통신, 동기화 메커니즘

• 원칙적으로는 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 없다. ➡️ 독립적
• 하지만 독립적인 프로세스들이 협력할 떄 효율성이 증진될 수 있음
  • (부분적인 처리 결과, 정보 공유, 처리 속도 향상 등)
• 따라서 운영체제는 프로세스 간 협력 메커니즘을 제공해 하나의 프로세스가 다른 프로세스 수행에 영향을 미칠 수 있게 한다.

• 이 협력 메커니즘을 IPC라고 한다.

• IPC란 하나의 컴퓨터 안에서 실행중인 서로 다른 프로세스 간 통신
• 이러한 통신에서는 공유 데이터에 대한 동기화가 필수
• 따라서 IPC는 프로세스들 간 통신과 동기화를 위한 메커니즘

☑️ message passing

메세지 전달하는 방식

• 메세지 전달은 커널이 담당
• 커널에게 system call을 요청해 메세지 전달

• 메세지 통신을 하는 시스템은 커널이 send()와 recieve()라는 두 가지 연산 제공

  • send와 recieve를 통해 전달할 메세지를 OS에게 system call방식으로 요청해 전달
  • 통신을 원하는 두 프로세스는 커뮤니케이션 링크를 생성한 후, send()와 recieve()를 통해 메세지를 주고받는다.
  • 메세지 전달 방식은 직접 통신과 간접 통신이 있다.
• ✔️ Direct Communication
  • 직접 통신에서는 통신하려는 프로세스의 이름 명시
  • send(p, message): 프로세스 p에게 메세지 전송
  • recieve(Q, message): 프로세스 Q로부터 메세지 전달 받음

• ✔️ Indirect Communication
  • 간접 통신은 메세지를 mailbox 또는 port로부터 전달받는다.
  • 각 메일박스는 고유 ID가 있으며 메일박스를 공유하는 프로세스끼리만 통신 가능
  • 따라서 간접 통신에서 사용되는 커뮤니케이션 링크는 여러 프로세스 간 메일박스를 공유하는 경우에만 생성
  • 하나의 링크가 여러 프로세스에게 할당될 수 있고, 각 프로세스의 쌍은 여러 링크 공유 가능
  • send(A, message): 메일박스 A에게 메세지 전송
  • recieve(A, message): 메일박스 A로부터 메세지 전달 받음

☑️ shared memory

공유 메모리 방식, 주소 공간을 공유

• 공유 메모리 방식에서는 프로세스들이 address space의 일부를 공유
• 운영체제는 공유메모리를 사용하는 system call을 지원, 주소 공간을 공유할 수 있게 한다.
• 👍🏻 프로세스 간의 통신이 수월해짐
• 👎🏻 데이터 일관성 문제, 동기화 문제
  • 이에 관해서는 커널이 책임지지 않음
  • 프로세스끼리 동기화 문제를 책임져야 한다.

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CPU