Processes in UNIX - 시스템프로그래밍

Process

• interrupt는 언제든 발생할 수 있다.

Context Switch

• 실행중인 프로세스를 switch 하는 것

• 현재 실행중인 프로세스 상태 정보를 저장해놔야 한다.

• 새로 실행 될 프로세스의 정보를 가져옴

• context switch는 interrupt가 발생되면 일어난다
• software interrupt (system call) ⇒ 커널이 실행
• device interrupt ⇒ 사용자 I/O 요청
• timer interrupt ⇒ (quantum expired) 프로세스가 실행될 때 스케쥴링 알고리즘을 사용할 텐데, 그 중 정해진 시간만큼만 실행해주도록 하는 알고리즘 일 경우

Context Switch Steps

• 프로세스가 interrupt 되었다고 가정할 경우

1. CPU가 interrupt 발생된 것을 감지한다 ( flag )

2. CPU는 발생한 interrupt를 처리하기 위해 interrupt handler 루틴을 실행한다 ( privileged mode 즉 커널에서 )

3. optional( 발생한 interrupt를 처리하는 중에 생긴 또 다른 interrupt를 막을건지 결정 )

4. interrupt handler는 실행중이었던 process의 state를 저장한다

5. interrupt handler가 interrupt를 위한 (커널) 코드를 실행

6. 새로 시작 할 프로세스를 CPU scheduler가 결정

7. CPU scheduler가 선택된 프로세스의 state를 로드한다

8. optional ( disable 시킨 interrupt를 다시 enable )

9. CPU는 다시 user mode로 변경시키고 선택 된 프로세스를 실행시킨다

Process identification

• pid_t getpid(void): 현재 실행중인 프로세스의 id를 리턴

• pid_t getppid(void): 프로세스의 parent 프로세스 id를 리턴

• pid_t는 unsigned integer type

• UNIX 내부에서는 real / effective user가 존재한다.
• getuid ⇒ real user id / getgid ⇒ real group id
• geteuid ⇒ effective user id / getegid ⇒ effective group id
 

Process state

Process state

• ps utility
• ps 명령어를 사용해서 pid를 파악하기 위한 용도로만 사용
 

Process Hierachy

• 부모, 자식 프로세스
• A (부모) 프로세스가 자식 프로세스 B 를 만든다.

• root process
• 모든 프로세스들의 조상 프로세스
• 시스템이 부트가 되고 나면 첫번째로 생성되는 프로세스 ( init process )

• Shell Example
• 쉘 프로세스를 새로 만든다. ⇒ 사용자가 만든 프로그램을 만든다.
• 아래의 예시에서는 cat 이라는 프로세스를 만든 것



 

System Function for process

• fork
• 부모 프로세스: fork를 호출한 프로세스
• 자식 프로세스: fork 호출이 됨으로써 새로 생성된 프로세스 / 부모 프로세스의 카피본 ( 100%가 카피되는 것은 아니다 )
• 새로 생성된 child 프로세스는 0을 리턴받고 그 아래 코드들을 실행한다
• fork 함수 위는 실행하지 않는다
• 부모 프로세스는 child 프로세스의 pid를 받고 그 아래 코드들을 계속 실행한다

• exec family

• exit

• wait family

fork: Process Creation

• 프로세스를 새로 만든다
• 현재의 프로세스 ( 부모 프로세스 ) 정보를 그대로 카피해서 복제본으로서 자식 프로세스를 만든다

• 부모프로세스 : 호출한 프로세스

• 자식프로세스 : 새로생성된프로세스

• return하는 값
• 호출 시에 자식 프로세스가 생성이 되면서 자식 프로세스의 id 값이 리턴된다.
• 자식프로세스도 같은 코드를 실행한다.
• 부모프로세스가 fork()를 실행한 뒤부터 그 아랫줄 부터 코드를 실행한다.
• 자식프로세스는 0을 리턴받는다.
• fork함수 자체가 오류가 난 경우 음수가 나온다

fork 함수의 특징

• 새로운 프로세스를 실행한다
• memory에 있는 부모 프로세스의 image를 카피한다

• 부모프로세스가 사용하고 있던 일부 env, 권한 정보를 그대로 물려받아서 사용하게 된다.

• 자식프로세스는 부모프로세스의 일부 리소스를 그대로 상속받아서 사용할 수 있다.
• ex) 부모가 사용했던 오픈한 파일 / 디바이스

• 차이점
• pid ( 자식 프로세스 ) / ppid ( 부모 프로세스 ) 는 다르다
• 모든 부모프로세스가 사용했던 데이터는 카피된다.
• 둘 다 같은 코드를 사용한다
• 같은 지점을 실행하기 시작한다 ( concurrent 하게 )

Parent Attributes and Resources

• Process ID
• 당연히도 pid는 새로 받는다

• CPU usage
• 프로세스가 생성된 순간부터 현재까지 CPU를 얼마나 사용했는지 모니터링 용도로 OS가 가지고 있다.
• child 프로세스는 당연히도 0일 것이다.

• Locks and alarm
• lock ⇒ 여러 프로세스들이 서로 공유하는 리소스를 접근하려는 경우 ( critical section ) conflict가 난다.

• Pending signals
• 모든 프로세스는 시그널을 받을 수 있다.
• 프로세스는 특정 시그널을 받을 건지 안받을 건지 컨트롤 할 수 있다 (시그널 마스크)

• 자식 프로세스는 어쨌든 독립된 개체이다

• 프로세스를 더 많이 만들어서 특정 유저가 더 많이 CPU time을 갖게 할 수 있다

fork의 장단점

• 장점
• 자식프로세스는 부모프로세스로 부터 포크가 될 때 데이터를 상속 받는다.
• IPC (message queue, shared memory, semaphore 등) 을 안해도 된다!
• 추가적인 커뮤니케이션을 하지 않아도 된다
• 오버헤드가 필요 없다

• 단점
• 소스코드도 그대로 물려 받기 때문에 자식은 부모와 똑같은 코드를 실행해야 한다

sleep function

• sleep(const int second);
• second 초 동안 프로세스가 동작을 멈춘다

wait function

• 프로세스 중에서 자식 프로세스를 가지고 있는 부모 프로세스가 사용할 수 있다.
• 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료 여부를 파악해야할 필요가 있을 때 사용한다.

• wait 함수를 호출하면, 부모프로세스는 실행을 자식 프로세스의 상태가 available ( 자식 프로세스가 종료 될 때 ) 하거나, 시그널을 받을 때 멈춘다.

• wait 함수를 사용함으로써 부모프로세스가 얻을 수 있는 것
• 자식 프로세스가 종료되기를 기다릴 수 있다.
• 종료하는 자식프로세스로부터 status 정보를 받을 수 있다.
• 자식프로세스가 종료하면서 부모프로세스에게 return 값을 받을 수 있다.

wait and waitpid function

#include <sys/wait.h>

pid_t wait(int *stat_loc);
pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);

• 자식 프로세스가 어떻게 종료되었는지 stat_loc 을 통해 알 수 있다.

• 어떤 시그널을 통해 종료가 되었는지

• pid_t waitpid(pid_t pid, int *stat_loc, int options);
• pid ⇒ 자식 프로세스의 pid ( 보통 0보다 큰 값 ⇒ 자식 프로세스의 값 )
• 0 / 음수 ⇒ 자식 프로세스를 general하게 쓸 수 있다.
• 0은 부모프로세스와 같은 프로세스 중 하나라도 종료될 때 까지 기다린다.
• -1은 자식 중 하나라도 종료될 때 까지 기다린다. ( wait 함수와 같은 기능 )
• -1을 제외한 음수는 프로세스 그룹을 지정하는 것. (-100 ⇒ 100번 그룹). 100번 그룹 중 자식프로세스 에서 하나를 기다리겠다.
• options
• non-blocking 모드로 설정할 수 있다. ( options: WNOHANG )
• 함수를 호출하고 return 될 때까지 기다리는 것이 일반적이나, non-blocking 모드의 경우 자식프로세스가 끝났는지 확인만 함.
• 이미 종료된 자식 프로세스의 정보도 알 수 있다.
• non-blocking 모드로 설정한 경우 자식이 종료되지 않았거나 시그널을 받지 않았다면, 0을 리턴한다

stat_loc

• null이 아니면, 자식 프로세스가 넘겨주는 상태값과 return value를 확인할 수 있다.

• exit, _exit, _Exit, return 값을 통해서 알 수 있다. ex) return 1 / exti(1)

#include <errno.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t r_wait(int *stat_loc) {
	int retval;

	// wait의 리턴값이 -1이고, 에러 코드가 interrupt 이면 (시그널을 받으면) 종료하면 해당 자식 프로세스의 pid를 리턴
	while (((retval = wait(stat_loc)) == -1) && (errno == EINTR));
	return retval;
}

exec 함수

• fork 함수
• 호출한 프로세스의 복사본을 생성한다

• exec 함수
• 새로운 코드를 로드한다.
• 현재의 프로세스는 새로운 코드를 실행하는 프로세스가 된다.
• 새로운 프로세스를 만드는 것이 아니다.
 

exec

• 새로운 프로세스가 생성되는 것은 아니지만, 해당 프로세스가 새로운 코드를 실행한다.

• 정상적으로 실행이 된다면 return 될 일이 없다.

exec의 특징

• program text, variables, stack, heap이 새로 쓰여진다.

• execle, execve가 아니라면, 환경변수 값은 그대로 사용한다.

exec Function Family API

#include <unistd.h>


// (char*) 0 => NULL로 대체할 수 있다.
// ex) execl("/bin/ls", "ls", "-l", (char*) 0); => /bin/ls위치의 파일을 실행하며 argv는 실행 경로, ls, -l
int execl(const char *path, const char *arg0, ..., const char *argn, (char*) 0);
int execlp(const char* file, const char *arg0, ..., const char *argn, (char*) 0);
int execle(const char *path, const char *arg0, ..., const char *argn, (char*) 0, char *const envp[]);

// ex) exev("/bin/ls", ["ls", "-l", (char*) 0 ]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

execl

• 미리 결정이 되어있는 arguments와 함께 파일을 실행할 때 ( argument의 개수가 정해져 있지 않다면 )

• path는 절대경로 / 상대경로. 파일의 경로를 나타낸다.

• arg0은 path와 같다. ( 그것의 마지막 경로 )

• arg1 ~ argn은 argument 이다.

• 0은 argument list의 끝임을 알려준다.

execlp

• file은 이름만 주어도 가능하다.

• 환경변수 내부에 PATH 환경변수 중 파악을 하게 됨. 없으면 에러

• 만약 file에 / 가 포함되어있다면, 이는 execl 처럼 작동하게 된다.

execle

• envp는 실행되는 프로세스에서 사용되는 환경변수를 세팅할 수 있다.

char *env[] = { "USER=user1", "PATH=/usr/bin:/bin:/opt/bin", (char *) 0 };

execv

execcmd.c example

#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

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

	/* check for valid number of command-line arguments */
	if (argc < 2){
		fprintf (stderr, "Usage: %s command arg1 arg2 ...\n", argv[0]);
		return 1;
	}

	childpid = fork();
	
	if (childpid == -1) {
		perror("Failed to fork");
		return 1;
	}
	
	/* child code */
	if (childpid == 0) {
		// &argv[1] 는 argv[1]의 값이 아닌 주솟값이기 때문에 그 뒤의 값들까지 접근 가능
		execvp(argv[1], &argv[1]);
		perror("Child failed to execvp the command");
		return 1;
	}

	/* parent code */
	if (childpid != r_wait(NULL)) {
		perror("Parent failed to wait");
		return 1;
	}
	return 0;
}

• execvp 함수에 execcmd ls -l *.c argument를 넘기면 어떻게 되는가?

exit 함수

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

• 프로세스를 종료

• status는 개발자가 정의한 값을 리턴함 ⇒ 부모프로세스가 받는다

atexit 함수

Background Processes and Daemons

Interrupt character

• command interpreter로서의 기능을 하는 shell
• 커맨드를 위해 프롬프트를 띄운다
• 키보드로부터 사용자가 입력하는 커맨드를 읽는다
• 자식 프로세스를 fork한 뒤 command를 실행한다
• 부모프로세스는 자식프로세스를 wait 한다.

Background process

Daemon