[OSTEP] 05. 프로세스 API (Process API)

실습 준비: ostep-code (cpu-api)#

이 장의 예제(p1.c~p4.c)는 ostep-code 저장소의 cpu-api/ 디렉터리에 있습니다.

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git clone https://github.com/remzi-arpacidusseau/ostep-code.git
2
cd ostep-code/cpu-api
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# 한 번에 빌드 (p1~p4 생성)
5
make

1. 이 Interlude가 던지는 질문(CRUX)#

OSTEP는 이 막간(interlude)에서 다음 질문을 던집니다.

• 프로세스를 생성하고 제어하려면 OS가 어떤 인터페이스를 제공해야 하는가?
• 유용하면서도 편하게 쓰이려면, 그 인터페이스는 어떻게 설계되어야 하는가?

UNIX는 이 질문에 대해 거대한 단일 API 대신 작은 API들을 조합하는 답을 내놓습니다.

• fork() : 새 프로세스를 복제(copy)로 만든다
• exec() : 현재 프로세스에 다른 프로그램을 갈아끼운다
• wait()/waitpid() : 부모가 자식 종료를 기다리고 수거(reap)한다

2. fork(): 복제로 자식 프로세스를 만든다#

fork()는 새 프로세스를 하나 생성하지만, 그 방식이 특이합니다.

• 자식 프로세스는 main()부터 시작하지 않는다
• 부모와 자식 모두 fork() 다음 줄부터 실행을 이어간다
• 거의 동일한 프로세스 복제본이 2개가 된 것처럼 보인다

1
#include <stdio.h>
2
#include <stdlib.h>
3
#include <unistd.h>
4

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int
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main(int argc, char *argv[])
7
{
8
    printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
9
    int rc = fork();
10
    if (rc < 0) {
11
        // fork failed; exit
12
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
13
        exit(1);
14
    } else if (rc == 0) {
15
        // child (new process)
16
  for (int i = 0; i < 1000; i++)
17
            printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
18
    } else {
19
        // parent goes down this path (original process)
20
  for (int i = 0; i < 1000; i++)
21
            printf("hello, I am parent of %d (pid:%d)\n",
22
         rc, (int) getpid());
23
    }
24
    return 0;
25
}

1
make p1
2
./p1

3. wait(): 부모가 자식이 끝나길 기다린다#

부모가 자식이 끝날 때까지 기다리려면 wait() 또는 waitpid()를 씁니다.

• 부모는 wait()에서 block됨(대기 상태로 진입)
• 자식이 종료하면 부모가 깨어나고 wait()가 반환
• wait()는 자식의 종료 상태를 회수해 좀비 프로세스가 남지 않도록 정리하는 의미도 있습니다.

1
#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
3
#include <unistd.h>
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#include <sys/wait.h>
5

6
int
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main(int argc, char *argv[])
8
{
9
    printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
10
    int rc = fork();
11
    if (rc < 0) {
12
        // fork failed; exit
13
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
14
        exit(1);
15
    } else if (rc == 0) {
16
        // child (new process)
17
        printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
18
  sleep(1);
19
    } else {
20
        // parent goes down this path (original process)
21
        int wc = wait(NULL);
22
        printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",
23
         rc, wc, (int) getpid());
24
    }
25
    return 0;
26
}

1
make p2
2
./p2

4. exec(): 현재 프로세스를 다른 프로그램으로 교체한다#

exec() 계열은 새 프로세스를 만드는 함수가 아닙니다.
현재 프로세스의 프로그램 이미지(코드/정적 데이터)를 다른 실행 파일로 교체하고, 그 프로그램을 실행합니다.

실습에서 자주 보는 특징:

• exec()가 성공하면, 보통 그 아래 코드는 실행되지 않습니다(되돌아오지 않음).

일반적으로 열린 파일 디스크립터는 exec() 이후에도 유지되며, 필요하면 FD_CLOEXEC(close-on-exec)로 exec 시점에 닫히도록 설정할 수 있습니다.

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#include <stdio.h>
2
#include <stdlib.h>
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#include <unistd.h>
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#include <string.h>
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#include <sys/wait.h>
6

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int
8
main(int argc, char *argv[])
9
{
10
    printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
11
    int rc = fork();
12
    if (rc < 0) {
13
        // fork failed; exit
14
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
15
        exit(1);
16
    } else if (rc == 0) {
17
        // child (new process)
18
        printf("hello, I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
19
        char *myargs[3];
20
        myargs[0] = strdup("wc");   // program: "wc" (word count)
21
        myargs[1] = strdup("p3.c"); // argument: file to count
22
        myargs[2] = NULL;           // marks end of array
23
        execvp(myargs[0], myargs);  // runs word count
24
        printf("this shouldn't print out");
25
    } else {
26
        // parent goes down this path (original process)
27
        int wc = wait(NULL);
28
        printf("hello, I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n",
29
         rc, wc, (int) getpid());
30
    }
31
    return 0;
32
}

1
make p3
2
./p3

5. 왜 fork()와 exec()를 굳이 분리했을까? (셸이 핵심)#

셸이 외부 명령을 실행하는 기본 뼈대는 다음을 반복하는 것입니다.

1. fork()로 자식 생성
2. 자식에서 실행 준비(FD 재배선 등)
3. exec()로 명령 실행
4. 부모는 wait()로 종료를 기다리고 프롬프트로 복귀

핵심은 2번이 fork()와 exec() 사이에 존재한다는 점입니다.
그 짧은 구간 때문에 셸은 프로그램 수정 없이 실행 환경을 바꿀 수 있습니다.

6. 리다이렉션(>): 표준출력을 파일로 보내는 원리#

예를 들어 아래 명령은 wc가 파일 출력을 지원해서 가능한 게 아닙니다.

1
wc p3.c > newfile.txt

셸이 자식에서 exec()를 호출하기 전에 표준출력(stdout)을 파일로 연결하기 때문에 가능한 것입니다.

1
#include <stdio.h>
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#include <stdlib.h>
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#include <unistd.h>
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#include <string.h>
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#include <fcntl.h>
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#include <assert.h>
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#include <sys/wait.h>
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int
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main(int argc, char *argv[])
11
{
12
    int rc = fork();
13
    if (rc < 0) {
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        // fork failed; exit
15
        fprintf(stderr, "fork failed\n");
16
        exit(1);
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    } else if (rc == 0) {
18
  // child: redirect standard output to a file
19
  close(STDOUT_FILENO);
20
  open("./p4.output", O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC, S_IRWXU);
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  // now exec "wc"...
23
        char *myargs[3];
24
        myargs[0] = strdup("wc");   // program: "wc" (word count)
25
        myargs[1] = strdup("p4.c"); // argument: file to count
26
        myargs[2] = NULL;           // marks end of array
27
        execvp(myargs[0], myargs);  // runs word count
28
    } else {
29
        // parent goes down this path (original process)
30
        int wc = wait(NULL);
31
  assert(wc >= 0);
32
    }
33
    return 0;
34
}

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make p4
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./p4
3

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# 실행 직후에는 아무것도 안 찍힌 것처럼 보일 수 있음(출력이 파일로 갔기 때문)
5
cat p4.output

7. 파이프(|): 한 프로세스의 stdout을 다른 프로세스의 stdin으로#

파이프도 본질은 같습니다. FD 연결입니다.

• 한쪽 프로세스의 stdout → 파이프 write-end
• 다른쪽 프로세스의 stdin → 파이프 read-end

그래서 다음이 가능해집니다.

1
grep -o foo file | wc -l

OSTEP는 파이프가 리다이렉션과 유사한 방식으로 구현되지만, pipe() 시스템 콜로 두 프로세스를 같은 파이프에 연결한다는 점을 강조합니다.

8. 프로세스 제어: signals, Ctrl+C / Ctrl+Z, kill()#

fork/exec/wait 말고도, UNIX에는 프로세스를 제어하기 위한 인터페이스가 많습니다. 대표가 시그널(signals)입니다.

• kill() 시스템 콜: 프로세스에 시그널 전송
• 셸 단축키:
  • Ctrl+C → 보통 SIGINT(인터럽트, 보통 종료)
  • Ctrl+Z → 보통 SIGTSTP(stop, 일시정지)
  • 일시정지한 프로세스는 fg로 다시 포그라운드 실행 가능

1
sleep 100
2
# Ctrl+Z
3
jobs
4
fg %1

9. man, ps/top, 그리고 Homework#

1
ps aux | head
2
top

10. 용어정리#

• 프로세스(Process): 실행 중인 프로그램 인스턴스(주소공간/레지스터/FD 등 상태 포함)
• PID(Process ID): 프로세스 식별자
• fork(): 현재 프로세스를 복제해 자식 프로세스를 생성
• exec(): 현재 프로세스 이미지를 다른 실행 파일로 교체(성공 시 반환하지 않는 것이 일반적)
• wait()/waitpid(): 부모가 자식 종료를 기다리고 상태를 수거(reap)
• 파일 디스크립터(File Descriptor): 프로세스가 파일/파이프/소켓 등을 다루는 핸들(0/1/2는 stdin/stdout/stderr)
• 리다이렉션(Redirection): FD를 재배선해 표준입출력 흐름을 파일/파이프 등으로 변경
• 파이프(Pipe): 한 프로세스의 출력과 다른 프로세스의 입력을 커널 버퍼로 연결
• 시그널(Signal): 프로세스에 전달되는 비동기 이벤트/제어 메시지(SIGINT, SIGTSTP 등)
• job control: 셸이 포그라운드/백그라운드 작업을 관리하는 기능(jobs, fg, bg 등)