프로세스 - fork & exec

kal2suma의 공부터 | 하기나름
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프로세스
지금 터미널에서 ps 명령을 실행하면 수많은 프로세스가 떠 있음을 알수 있다. 프로세스란 시스템상에서 어떠한 명령을 실행함으로써 사용자와 OS, OS 와 시스템 간의 대화가 가능하도록 해주는 실행 객체이다.
이러한 프로세스는 여러분이 이미지를 보거나, 웹서핑을 하거나, 음악을 듣거나 혹은 웹서비스를 하는등 각 객체의 특성에 따라 다양한 업무를 수행하게 된다.

[root@localhost root]# ps -aux

 USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND

root 1 0.0 0.2 1384 520 ? S 21:37 0:04 init

root 2 0.0 0.0 0 0 ? SW 21:37 0:00 [keventd]

root 3 0.0 0.0 0 0 ? SW 21:37 0:00 [kapm-idled] 

root 4 0.0 0.0 0 0 ? SWN 21:37 0:00 [ksoftirqd_CPU0] 

root 5 0.0 0.0 0 0 ? SW 21:37 0:00 [kswapd]

 ...

root 930 0.0 0.3 2920 1016 tty1 S 21:39 0:00 /bin/sh /usr/X11R 

root 937 0.0 0.2 2320 672 tty1 S 21:39 0:00 xinit /etc/X11/xi 

root 938 0.7 5.9 74844 15056 ? S< 21:39 0:34 /etc/X11/X :0 

root 946 0.0 0.4 2956 1108 tty1 S 21:39 0:00 /bin/bash /usr/bi 

root 1011 0.0 1.9 16044 5020 ? S 21:39 0:00 kdeinit: Running.

... 

그런데 이러한 프로세스가 어느순간 갑자기 생기진 않았을것이다. 최초의 어느한 시작점이 있을것이다. 이 시작점에 대해서 알아보자

init 프로세스
모든 프로세스는 위에서 처럼 PID를 가지고 또한 PPID 를 가진다. PID란 프로세스자신을 가리키는 일련의 번호이며 PPID란 자신을 실행시킨 부모프로세스의 PID를 가리킨다.
그렇다면 자신의 부모 프로세스를 실행시킨 프로세스가 존재할것이고, 또 그 부모 프로세스를 실행한 프로세스가 존재할것이다.
이런 식으로 유추해서 생각해 보면 결국 최초의 조상 프로세스가 존재할것이라는 결론에 도달할수 있을것인데(인류로 생각해보자면, "아담" 정도), 그것이 바로 PID 1번을 가지는 init 프로세스이다.
모든 프로세스는 init 로부터 fork & exec 과정을 거쳐서 독립된 프로세스로 임무를 수행하게 된다.

fork 와 exec
그럼 fork 와 exec 에 대해서 좀 알아보도록 하겠다.
fork 와 exec 는 둘다 유닉스 시스템에서 새로운 프로세스를 생성시키기 위해서 사용하는 System Call 함수들이다.
둘다 새로운 프로세스를 생성하는데 그 행동이 약간 다르다.
fork 의 경우는 어떤 프로세스에서 fork 를 실행하게 되면, 자신의 프로세스와 똑같은 프로세스를 copy-on-write 형식으로 실행하게 되며, 이때 생성된 프로세는 자신만의 PID를 가지고 독자적인 길을 가게 된다. 물론 이때 생성된 프로세서의 부모 프로세스는 최초에 실행된 프로세스가 될것이다.
우리는 이러한 최초의 프로세스를 부모 프로세스라고 하고 fork 되어서 만들어진 프로세스를 자식 프로세스라고 한다.

예제 fork.c

#include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> int main() { int pid; pid = fork(); if (pid == -1) { perror("fork error "); exit(0); } // 자식프로세스일경우 else if (pid == 0) { printf("자식\n"); pause(); } // 부모프로세스의 경우 else { printf("부모\n"); pause(); } }

위의 프로그램을 실행시키고

[root@localhost test]# ./fork 부모 자식

ps 를 이용해서 확인해 보면 아래와 같은 ps 상태를 보여줄것이다.

[root@localhost root]# ps -efjc | grep fork | grep -v fork UID PID PPID PGID SID CLS PRI STIME TTY TIME CMD root 2375 1963 2375 1963 - 30 23:20 pts/6 00:00:00 ./fork root 2376 2375 2375 1963 - 30 23:20 pts/6 00:00:00 ./fork

보면 알겠지만 똑같은 이름의 프로세스가 2개 생성되었음을 알수 있으며, 2375 가 부모프로세스이고, 2376 이 2375 의 자식프로세스임을 PPID 정보를 이용해서 알수 있을것이다.
이처럼 fork 는 프로세스의 복사본을 만들때 사용한다.

이러한 fork 의 특성으로 다수의 클라이언트 연결을 처리해야 하는 네트웍서버 를 제작할때 매우 흔히 사용된다.

fork 함수를 실행하면 int 형의 정수를 넘겨주게 되는데, 0일경우 자식프로세스, 0보다 큰정수일경우 부모프로세스를 실행하게 된다.
여러가지 이유로 fork 가 실패한다면 -1 을 돌려주게 될것이다.

exec
exec 는 흔히 exec 계열함수군에 의해서 구현되며, exec 함수군에는 execl(3), execlp, execle.. 등이 있다. 모두 같은 일을 하며, 단지 프로그램실행 아규먼트를 다루는데 약간씩의 차이를 가지고 있을 뿐이다.
exec 역시 fork 와 마찬가지로 새로운 프로새스를 생성시키지만, fork 와 같이 copy-on-write 를 이용한 전혀 새로운 프로세스를 실행시키지 않고, 현재의 프로세스이미지를 새로운 프로세스 이미지가 덮어써 버린다.
다음의 예제를 컴파일한후 실행하면 이해가 쉬울것이다.

myexec.c

#include <unistd.h> #include <string.h> int main() { printf("원래 프로세스 : %d\n", getpid()); sleep(1); execl("/bin/sh", "sh", NULL); printf("I will be back\n"); // 실행될까 ? exit(0); }

위의 프로그램을 컴파일한후 실행시키면 "/bin/sh" 가 실행되고 쉘 프롬프트가 사용자 입력을 기다리는걸 볼수 있을것이다.
여기에서 exit 명령을 사용해서 쉘을 종료하면 어떻게 될까 ?
다음 의 printf 행을 실행해서 "I will be back" 라는 문장을 볼수 있게 될까 ?
대답은 아니오 이다. 이유는 위에서 설명했듯이, execl 함수를 호출해서 /bin/sh 를 수행한순간 myexec 프로세스를 /bin/sh 가 덮어써 버리기 때문이다.
ps 를 이용해서 한번 확인을 해보도록 하자.
먼저 ./myexec 를 실행시키고

[root@localhost test]# ./myexec 원래 프로세스 : 2447 sh-2.05#

 

ps 를 이용해서 myexec 라는 이름의 process 라는 이름의 프로세스가 생성되었는지 알아보자.

[root@localhost root]# ps -aux | grep myexec root 2449 0.0 0.2 2492 684 pts/9 S 23:40 0:00 grep myexec

나타나지 않음을 알수 있다. 그러면 pid 2447 번이 존재하는지 한번 확인해 보도록 하자.

[root@localhost root]# ps -aux | grep 2447 root 2447 0.0 0.5 3280 1356 pts/6 S 23:39 0:00 sh

위의 결과를 보면 알겠지만 myexec 대신 execl 함수를 이용해서 실행시킨 sh 가 2447 프로세스를 완전히 덮어써 버렸음을 알수 있을것이다.

참 그리고 system(3) 이라는 새로운 프로세스를 시키는 함수도 있는데, fork & exec 의 다른 구현으로 보면 될것이며, 실제로 system 을 사용하지 않고, fork & exec 를 통하여 구현하는 경우도 있다.


위의 fork 와 exec 의 개념을 완전히 이해했다면 이제 단지 하나의 init 프로세스에서 다른 모든 프로세스가 fork & exec 방식으로 어떻게 파생되어서 실행되는지 감을 잡을수 있을것이다.
init 프로세스에게 어떤 프로세스를 실행시켜라는 메시지가 전달되면, init 는 fork 를 이용해서 자기자신을 복사한 자식 프로세스를 하나 실행시키게 될것이다. 그리고 나서 복사된 자식프로세스에서 exec 를 써서 새로운 프로세스를 실행시키면 init 는 새로운 프로세스로 대체실행되는 것이다.

 

new_process 를 실행하라 | V +---------+ fork +---------+ exec(new_process) +-------------+ |init(1) |----->>| init(?) |-------------------->| new_process | +---------+ +---------+ +-------------+

프로세스의 집단(group)과 세션(session)
우주를 예로 들어보면 행성 하나하나를 프로세스라고 생각할수 있을것이다, 그런데 보통 행성은 하나의 항성계에 포함되게 된다. 태양계와 같은 것이 일반적인 경우가 될것이며, 이러한 항성계는 다시 은하계라는 더욱 큰 규모의 천체에 속하게 된다.
프로세스도 마찬가지이다. 각각의 프로세스는 어떠한 집단에 포함될수 있으며, 각각의 집단은 더욱큰 집단에 포함될수 있는데, 이러한 각각의 집단을 우리는 Group 라고 부르며, 여러개의 Gruop을 포함하는 더큰 그룹을 세션이라고 부른다.
보통 그룹은 어떠한 작업을 하기 위해서 공통의 목적으로 생성된 프로세스들의 집단을 말하는데, 가장 일반적인 예가 fork 로 생성된 자식 부모간의 프로세스 그룹이 될것이다.

[yundream@localhost yundream]$ ps -efjc | grep httpd UID PID PPID PGID SID CLS PRI STIME TTY TIME CMD root 29635 1 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:00 httpd nobody 29636 29635 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:09 httpd nobody 29637 29635 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:07 httpd nobody 29638 29635 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:07 httpd nobody 29639 29635 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:07 httpd

위는 fork 를 사용하는 대표적인 서버프로그램인 httpd의 ps 결과 이다. 보면 알겠지만 29635 프로세스가 최초에 생성되고, 나머지 프로세스들이 29635 를 부모로 가지는 자식프로세스로 생성되었음을 알수 있다(PPID를 확인인하라).
그리고 이들은 동일한 그룹(PGID를 확인하라)으로 묶여 있음을 알수 있다.
이들프로세스가 바로 하나의 프로세스 그룹이 되는것이다.
모든 그룹에는 지도자가 있다(태양계의 지도자가 태양? 이듯이). 프로세스 집단도 마찬가지로 지도자(집단을 최초 생성한)가 있기 마련이다. PID와 PGID 가 같은 프로세스가 그 프로세스 집단의 지도자이며, 위에서 29635 번 프로세스가 PGID 29635 집단의 지도자 프로세스임을 알수 있다. 같은 프로세스 집단에 속하는 프로세스들은 pipe 등을 통하여서 서로간에 통신이 가능하며, signal 등을 처리함에 있어서 그룹내의 프로세스는 동일한 액션을 취한다.
예를 들어서 29635 프로세스를 죽이면, 해당 그룹에 포함되어 있는 모든 자식프로세스도 그에 대한 영향을 받는다.

[yundream@localhost yundream]$ kill -9 29635 [yundream@localhost yundream]$ ps -efjc | grep httpd UID PID PPID PGID SID CLS PRI STIME TTY TIME CMD nobody 29636 1 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:09 httpd nobody 29637 1 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:07 httpd nobody 29638 1 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:07 httpd nobody 29639 1 29635 29635 - 30 Mar20 ? 00:00:07 httpd

세션은 그룹을 포함하는 그룹이라고 생각하면 된다. 하나의 세션은 여러개의 그룹을 가질수 있으며, 보통 login 시 생성된다. 다른경우로 데몬과 같이 자기 자신이 세션을 가져야하는 경우가 있는데 그러한 경우에 세션이 생성되기도 한다.

[yundream@localhost yundream]$ ps -efjc | grep 945 | grep -v grep UID PID PPID PGID SID CLS PRI STIME TTY TIME CMD root 945 1 945 945 - 30 Mar13 tty3 00:00:00 login -- root root 21604 945 21604 945 - 30 11:47 tty3 00:00:00 -bash root 23964 21604 23964 945 - 30 13:27 tty3 00:00:00 ./fork root 23965 23964 23964 945 - 30 13:27 tty3 00:00:00 ./fork

위의 ps 화면은 root 유저로 새로 로그인 해서 ./fork 를 실행시킨 과정 을 통해서 세션이 어떻게 생성되는지를 보여주고 있다. ./fork 프로그램은 fork 를 통해서 부모자식 프로세스를 생성한것이며, 이들은 PGID-23964 의 그룹식별자를 가지는 같은 그룹으로 묶이게 된다. 또한 이 그룹은 세션아이디 945 를 가지는 세션에 묶이게 된다.
결론적으로 945 세션은 945, 21604, 23946 세개의 그룹을 가지게 된다. 세션역시 그룹과 마찬가지로 세션지도자를 가지며, 세션지도자는 그 세션을 최후에 만든 프로세스로 PID 와 SID가 같게 된다(자신의 PID번호로 SID를 만든다).
만약에 세션지도자 프로세스를 kill 시키면 어떻게 될까 ?

[root@localhost root]$ ps -efjc | grep 945 | grep -v grep

세션 프로세스가 사라지자 그와 관련된 모든 프로세스가 kill 되었음을 알수 있다. 

[출처] [본문스크랩] 프로세스 - fork & exec|작성자 루루보이