[프로세스와 스레드 다중 처리] 프로세스의 종료와 생성, 종료 대기

<서영진 님의 사물인터넷을 위한 리눅스 프로그래밍 with 라즈베리파이 서적을 참고해서 작성하였습니다 :-)>

 

⭐ 프로세스의 종료

C언어의 main() 함수는 int 형의 반환값 갖는다

애플리케이션이 종료되면 실행 결과를 운영체제에 반환하고 그 운영체제는 그 프로세스가 열었던 (open 함수) 파일 디스크립터를 모두 닫는다 (close 함수)

프로세스가 차지하고 있떤 메모리를 가용 메모리 풀 (pool) 로 반환하게 된다

 

애플리케이션을 종료할 때 main() 함수에서 return 으로 반환하는 경우 자동적으로 exit() 함수가 호출된다

exit() 함수는 파일 스트림에 대해서도 동일한 작업을 수행, 열려 있는 파일의 스트림에 대해서는 fclose() 함수를 호출해서 버퍼에 남은 데이터를 모두 출력 (flush) 한다

 

⭐ 프로세스의 생성

리눅스가 처음 부팅되면, 리눅스 커널이 직접 처음 프로세스를 생성한 후 다음 프로세스부터는 이전 프로세스를 복사해서 사용된다

fork() 함수는 프로세스를 생성하는데, 호출한 프로세스와 동일한 프로세스를 새로 생성하여 새로운 프로세스 ID 를 할당한다

새로 생성한 프로세스는 부모 프로세스를 가지게 되는데, 자기 자신은 부모 프로세스의 자식 프로세스가 된다

exec() 함수는 프로세스의 공간에 새로운 프로그램의 바이너리 코드를 올려서, 프로세스의 내용을 새로 변경하지만 프로세스 ID 는 변경되지 않는다

 

☑️ 자식 프로세스의 메모리 공간

커널은 자식 프로세스가 생성되면 프로세스 테이블에 등록하고 메모리를 할당한다

프로세스가 생성되면, 자식 프로세스와 부모 프로세스는 텍스트 영역은 공유하고 데이터, 힙, 스택 영역은 복사함

fork() 함수를 수행한 후에 바로 exec() 함수가 호출되기 때문에 대부분의 시스템에서 fork() 함수 수행 시 데이터, 힙, 스택, 영역을 바로 복사하지 않는다

자식 프로세스의 내용이 변경될 때 나머지 영역을 복사하는 방법 통해서 실행 속도를 높일 수 있는데, 이를 변형 시에 복사 (Copy On-Write, COW) 라고 한다

 

☑️ fork()

새로운 프로세스를 생성하는데, 부모 프로세스와 자식 프로세스가 생성된다

반환값인 pid_t 이용해서 구분이 되는데, 반환된 PID 가 양수이면 부모 프로세스! 0이면 자식 프로세스!

 

실행이 실패한 경우에는 -1을 반환, errno 에 에러 내용 저장함

EAGAIN: 시스템에서 허용하는 최대 프로세스의 수 초과

ENOMEM: 새로운 프로세스를 위한 메모리와 스왑 공간 부족함

 

실행이 성공한 경우에는 생성된 자식 프로세스와 부모 프로세스 모두 동일한 프로그램 코드 가짐

fork() 함수를 호출하면 전역 변수뿐만 아니라 열린 파일 디스크립터도 함께 공유된다

호출하기 전에 open() 함수를 호출한 후 다른 프로세스를 생성하면 사용자 구조의 파일 디스크립터 테이블이 복사되어 같은 오프셋을 가진다

 

fork() 함수는 부모 프로세스의 text 영역을 자식 프로세스로 복사한다

exec() 함수를 수행하면 text 영역을 다른 프로그램의 바이너리로 채우기 때문에, fork() 함수 수행 후 exec() 함수를 바로 호출한다면 부모 프로세스의 text 영역을 복사하는 작업은 불필요하다

// fork() 함수로 프로세스를 생성하자
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

static int g_var = 1; 	/* data 영역의 초기화된 변수 */
char str[ ] = "PID";

int main(int argc, char **argv)
{
    int var; 		/* stack 영역의 지역 변수 */
    pid_t pid;

    var = 92;

    if((pid = fork()) < 0) { 	/* fork( ) 함수의 에러 시 처리 */
        perror("[ERROR] : fork()");
    } else if(pid == 0) { 	/* 자식 프로세스에 대한 처리 */
        g_var++; 		/* 변수의 값 변경 */
        var++;
        printf("Parent %s from Child Process(%d) : %d\n",
                                     str, getpid(), getppid());
    } else { 			/* 부모 프로세스에 대한 처리 */
        printf("Child %s from Parent Process(%d) : %d\n", str, getpid(), pid);
        sleep(1);
    }

    /* 변수의 내용을 출력 */
    printf("pid = %d, Global var = %d, var = %d\n", getpid(), g_var, var);

    return 0;
}

/*
전역 변수와 지역 변수를 한 개 생성하고, fork() 함수 이용해서 2개의 프로세스를 생성한다
fork() 함수를 수행하면 프로세스는 2개의 프로세스로 분할되어서 실행된다
pid_t 의 반환값으로 0이면 자식, 양수면 부모 프로세스이다

부모 프로세스는 자식 프로세스와 부모 프로세스 자신의 pid 를 출력하는데, 자식 프로세스의 PID 는 fork() 함수에서 반환하는 값 이용함
부모 프로세스에서는 1초간 자식 프로세스의 종료를 기다린 후 앞의 변수들을 그대로 출력 후 부모 프로세스는 종료된다
부모 프로세스는 자식 프로세스보다 먼저 종료하면 안되는데, 부모 프로세스가 먼저 종료되는 경우에는 자식 프로세스는 고아 프로세스가 된다
시스템에서 주기적으로 고아 프로세스를 찾아서 init 프로세스의 자식으로 포함시켜준다

자식 프로세스는 변수의 값들을 1씩 증가시킨 후 부모 프로세스와 자신의 pid 를 출력하는데, 부모 프로세스의 PID 구하기 위해 getppid() 사용한다

@gani0325 ➜ /workspaces/IoT_Linux_RaspberryPi/Process_Signal (main) $ gcc -o fork fork.c
@gani0325 ➜ /workspaces/IoT_Linux_RaspberryPi/Process_Signal (main) $ ./fork
*/

gcc -o fork fork.c
./fork

 

☑️ vfork()

So, vfork() 함수는 exec() 함수를 통해서 새로운 프로그램을 실행시킬 목적으로 자식 프로세스를 생성할 때 부모 프로세스의 메모리 영역을 모두 복사하지 않는다

 

자식 프로세스는 exec(), exit() 함수를 호출할 때까지 부모 프로세스의 메모리 영역에서 실행되며, 부모 프로세스는 실행을 멈춰도 자식 프로세스가 항상 먼저 실행되는 것을 보장한다

// vfork() 로 프로세스를 생성해보자
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

static int g_var = 1; 	/* 초기화된 data 영역의 전역 변수 */
char str[ ] = "PID";

int main(int argc, char **argv)
{
    int var; 		/* 스택(stack) 영역의 자동 변수 */

    pid_t pid;
    var = 88;

    if((pid = vfork()) < 0) { 	/* fork() 함수 호출 에러 */
        perror("vfork()");
    } else if(pid == 0) { 	/* 자식 프로세스 */
        g_var++; 		/* 변수의 값 변경 */
        var++;
        printf("Parent %s from Child Process(%d) : %d\n",
        str, getpid(), getppid());
        printf("pid = %d, Global var = %d, var = %d\n", getpid(), g_var, var);
        _exit(0);
    } else { 			/* 부모 프로세스 */
        printf("Child %s from Parent Process(%d) : %d\n", str, getpid(), pid);
    }

    printf("pid = %d, Global var = %d, var = %d\n", getpid(), g_var, var);

    return 0;
}

/*
vfork() 함수는 자식 프로세스를 생성하고 부모 프로세스는 대기하고 있기 때문에
자식 부터 출력되고, 부모 내용이 출력된다

자식 프로세스에서 변경한 전역 변수와 지역 변수의 내용이 모두 변경되어 있다
두 프로세스가 같은 공간을 사용하기 때문에 fork() 와 다르게 자식 프로세스의 변경이 부모에도 영향을 준다
자식 프로세스는 _exit() 함수를 통해서 종료해야 하는데, return 문으로 종료되는 경우 프로세들 사이에 공유된 함수의
스택도 삭제되므로 부모 프로세스의 종료 시 에러를 출력한다

@gani0325 ➜ /workspaces/IoT_Linux_RaspberryPi/Process_Signal (main) $ gcc -o vfork vfork.c
@gani0325 ➜ /workspaces/IoT_Linux_RaspberryPi/Process_Signal (main) $ ./vfork 
*/

gcc -o vfork vfork.c
./vfork

 

⭐ 자식 프로세스의 종료 대기: wait() 와 waitpid() 함수

자식 프로세스들은 부모 프로세스들이 관리해야하는데, 자식 프로세스들이 종료되기 전에 부모 프로세스들이 종료되면 안된다

자식 프로세스가 종료하면 부모 프로세스에게 SIGCHLD 시그널을 전달하여 대기 (block) 상태를 해제한다

 

자식 프로세스는 프로세스가 종료된 후 부모 프로세스는 자식 프로세스의 상태를 wait() 나 waitpid() 함수 등으로 종료 상태에 대한 반환값을 읽고 이와 관련된 리소스를 해제하기 위해서 대기한다

커널이 프로세스의 프로세스 ID, 종료 상태 값, CPU 사용 시간 등 정보를 유지하고 있기 때문에 이를 해제하지 않으면 시스템에 메모리가 부족해지는 현상이 발생한다

자식 프로세스는 종료했지만 부모 프로세스의 wait() 등의 처리가 끝나지 않아서 종료가 되어 있어도 삭제가 되지 않고 남아있는 프로세스를 좀비 프로세스라고 한다

init 프로세스는 자식 프로세스가 종료될 때마다 wait() 함수를 호출해서 프로세스의 좀비 상태를 해제한다

 

wait() 함수는 모든 자식 프로세스가 실행되고 있는 동안 대기(block) 하고 있고, 자식 프로세스가 종료하면 종료 상태 값과 함께 즉시 반환된다

wait() 함수는 모든 자식 프로세스들을 대기할 때 사용하는데, 여러 자식 프로세스들이 있는 경우에 그중 하나만 종료해도 반환된다

waitpid() 함수는 특정 자식 프로세스를 지정해서 대기할 수 있는데, 첫 번째 인자 (pid) 를 이용해서 특정 프로세스나 여러 그룹 프로세스들의 대기를 지정할 수 있다. 세번 째 인자로 단순 대기의 방지나 작업 제어 지원을 옵션으로 설정한다

 

⭐ 다른 프로그램의 실행: exec() 함수

exec() 함수는 실행 파일을 찾으면 기계어 코드인지 확인하고, 기계어 코드인 경우에는 직접 실행하고

기계어 코드가 아닌 경우에는 셸 스크립트로 인식해 "/bin/sh" 을 실행하고 주어진 실행 파일을 셸의 인자로 해서 셸 스크립트를 수행한다

 

☑️ system() 함수

리눅스에서 외부 프로그램을 실행시키고 싶은 경우 사용한다

fork(), exec(), waitpid() 함수로 구성되어 있으며

fork() 실패하거나 waitpid() 가 EINTR 이외의 값을 반환하면, system() 함수는 errno 에 값을 설정하고 -1 반환함

exec() 함수가 실패한 경우에는 생성한 프로세스의 종료 상태 값으로 127을 반환한다

세 함수가 모두 성공하면 waitpid 로 얻어낸 셸 종료 상태 값을 반환한다

 

fork() 함수를 이용해서 프로세스를 생성하고 execl() 함수를 이용해서 사용자가 입력한 명령을 수행한다
sh 셸 명령어로 수행할 수 있도록 /bin/sh 의 인자로 명령어를 입력하였고
부모 프로세스는 waitpid() 함수를 이용해서 자식 프로세스의 수행을 기다리도록 한다

main() 함수의 3번째 인자로 현재 설정된 환경 변수들의 목록을 가져올 수 있다
환경 변수의 사용을 위해 main() 함수의 3번째 인자를 사용하지 않고 광역 변수 environ 을 사용할 수 있다

현재 설정된 환경 변수들이 화면에 출력되고, who 명령어의 결과가 출력된 후 nocommand 라는 명령어가 없으므로 에러가 출력된다
cal 명령어에 대한 결과가 출력된다

// system() 함수를 구현하면서 fork(), exec(), waitpid() 함수 사용하기
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int system(const char *cmd) 	/* fork(), exec(), waitpid() 함수를 사용 */
{
    pid_t pid;
    int status;

    if((pid = fork()) < 0) { 	/* fork( ) 함수 수행 시 에러가 발생했을 때의 처리 */
        status = -1;
    } else if(pid == 0) { 	/* 자식 프로세스의 처리 */
        execl("/bin/sh", "sh", "-c", cmd, (char *)0);
        _exit(127); 		/* execl( ) 함수의 에러 사항 */
    } else { /* 부모 프로세스의 처리 */
        while(waitpid(pid, &status, 0) < 0) 	/* 자식 프로세스의 종료 대기 */
        if(errno != EINTR) { 	/* waitpid( ) 함수에서 EINTR이 아닌 경우의 처리 */
            status = -1;
            break;
        }
    }

    return status;
}

int main(int argc, char **argv, char **envp)
{
    while(*envp) 		/* 환경 변수를 출력한다. */
        printf("%s\n", *envp++);

    system("who"); 		/* who 유틸리티 수행 */
    system("nocommand"); 	/* 오류사항의 수행 */
    system("cal"); 		/* cal 유틸리티 수행 */

    return 0;
}

/*
fork() 함수를 이용해서 프로세스를 생성하고 execl() 함수를 이용해서 사용자가 입력한 명령을 수행한다
sh 셸 명령어로 수행할 수 있도록 /bin/sh 의 인자로 명령어를 입력하였고
부모 프로세스는 waitpid() 함수를 이용해서 자식 프로세스의 수행을 기다리도록 한다

main() 함수의 3번째 인자로 현재 설정된 환경 변수들의 목록을 가져올 수 있다
환경 변수의 사용을 위해 main() 함수의 3번째 인자를 사용하지 않고 광역 변수 environ 을 사용할 수 있다

현재 설정된 환경 변수들이 화면에 출력되고, who 명령어의 결과가 출력된 후 nocommand 라는 명령어가 없으므로 에러가 출력된다
cal 명령어에 대한 결과가 출력된다

gani@gani:~/raspi/Process_Signal $ gcc -o system system.c
gani@gani:~/raspi/Process_Signal $ ./system 
*/

gcc -o system system.c
./system

 

☑️ posix_spawn() 함수

fork() & exec() 을 사용하는 것보다 posix_spawn() 함수를 사용하는 것을 강력히 권장함
system() 함수를 posix_spawn() 함수로 만들면 간단하게 작성할 수 있음

posix_spawn() 함수의 첫 번째 인자로 fork() 함수와 같이 프로세스를 구분할 수 있는 pid_t
두 번째 인자로 exec() 함수와 같이 실행할 프로그램의 경로를 넣어준다
세 번째, 네 번째 인자를 이용해서 posix_spawn() 함수의 속성을 넣는다 (기본값으로 NULL)
다섯 번째 인자는 두 번째 인자로 넣어서 실행할 프로그램에서 사용하는 인자
마지막으로는환경 변수

실행하면 fork() & exec() 와 동일하게 동작된다
posix_spawn() 함수의 속성 등을 이용하면 waitpid() 함수 없이 비동기적 프로그래밍을 할 수 있다

// posix_spawan() 함수는 system() 함수처럼 간단히 프로그램을 실행할 수 있음
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <spawn.h>

extern char **environ;

int system(char *cmd) 		/* posix_spawn() 함수를 사용 */
{
    pid_t pid;
    int status;

    char *argv[] = {"sh", "-c", cmd, NULL};
    posix_spawn(&pid, "/bin/sh", NULL, NULL, argv, environ);
    waitpid(pid, &status, 0);

    return status;
}

int main(int argc, char **argv, char **envp)
{
    while( *envp) 		/* 환경 변수를 출력한다. */
        printf( "%s\n", *envp++);

    system("who"); 		/* who 유틸리티 수행 */
    system("nocommand"); 	/* 오류사항의 수행 */
    system("cal"); 		/* cal 유틸리티 수행 */

    return 0;
}

/*
fork() & exec() 을 사용하는 것보다 posix_spawn() 함수를 사용하는 것을 강력히 권장함
system() 함수를 posix_spawn() 함수로 만들면 간단하게 작성할 수 있음

posix_spawn() 함수의 첫 번째 인자로 fork() 함수와 같이 프로세스를 구분할 수 있는 pid_t
두 번째 인자로 exec() 함수와 같이 실행할 프로그램의 경로를 넣어준다
세 번째, 네 번째 인자를 이용해서 posix_spawn() 함수의 속성을 넣는다 (기본값으로 NULL)
다섯 번째 인자는 두 번째 인자로 넣어서 실행할 프로그램에서 사용하는 인자
마지막으로는환경 변수

실행하면 FORK() & exec() 와 동일하게 동작된다
posix_spawn() 함수의 속성 등을 이용하면 waitpid() 함수 없이 비동기적 프로그래밍을 할 수 있다

gani@gani:~/raspi/Process_Signal $ gcc -o spawn spawn.c
gani@gani:~/raspi/Process_Signal $ ./spawn 
*/

gcc -o spawn spawn.c
./spawn