[운영체제] ch04. Process Management

📄 프로세스 생성 (Process Creation)

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전체 요약

운영체제는 fork() 시스템 콜을 통해 부모 프로세스를 복제(fork), exec()으로 새로운 프로그램을 실행하여 자식 프로세스를 생성한다.

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구조 및 용어 설명

▶ 주소 공간 (Address Space)

• code / data / stack 전체를 포함
• 부모 프로세스와 완전히 독립적인 공간으로 복제됨
• ✍️ 필기: “code, data, stack 전부 포함됨”

▶ fork()

• 부모 프로세스를 그대로 복제하여 자식 프로세스 생성
• 단, PID는 새로 부여됨 → 둘은 독립적인 PCB를 가짐
• ✍️ 필기: “주소 공간은 같지만 PID 다름 → PCB 따로 있음”

▶ exec()

• fork로 생성된 자식 프로세스가 기존 코드 덮어쓰기
• 새로운 프로그램(b파일 등)을 메모리에 적재하고 실행 시작
• fork + exec = 새로운 프로그램 실행 구조

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그림 설명 (DRAM 안에서 프로세스 생성)

• 좌측 A: 부모 프로세스 (A.exe)
• 우측 B: 자식 프로세스 (A2.exe)
• 두 프로세스는 서로 다른 PCB를 갖고 있음
• ✍️ 필기:
  • “PCB와 코드/데이터/스택까지 복사됨”
  • “PID는 다르고 L(process ID)는 새로 부여됨”
  • “두 프로세스는 완전 독립적으로 실행됨”

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✅ 암기 포인트

• fork()는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하여 자식 프로세스를 만든다
• exec()는 자식 프로세스 주소 공간에 새로운 프로그램을 적재해 실행한다
• 부모와 자식은 각각의 PCB를 가지며, PID가 다르다
• 복제된 주소 공간에는 code, data, stack 모두 포함된다
• fork 후 exec 구조는 UNIX 기반 시스템에서 매우 일반적인 프로세스 생성 방식이다

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이 슬라이드는 추후 fork() 호출 후 각각의 프로세스가 어떤 코드부터 실행되는가, PID 구분, PCB 구성요소 등 문제로 연결되기 쉬우니 이 상태도 기억 잘 해둬야 해!
 
 
 
 

📄 fork() 시스템 콜의 작동 원리

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전체 요약

fork()는 현재 실행 중인 프로세스를 복사하여 자식 프로세스를 생성하며, 부모와 자식은 이후 독립적으로 실행된다.

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코드 구조 설명

int main() {
    pid_t pid;
    pid = fork();

    if (pid == 0)
        printf("Hello, I am child\n");
    else
        printf("Hello, I am parent\n");
}

 

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코드 실행 결과 분석

• fork() 호출 시 → 현재 프로세스를 복사하여 새로운 자식 프로세스 생성
• 이때 반환값 pid에 따라 실행 흐름이 달라짐:

반환값(pid)                              실행 중인 프로세스                  의미

0	자식 프로세스	자식만 실행됨
양수 (PID)	부모 프로세스	자식의 PID 반환
음수	실패	자식 생성 실패 (실제 코드엔 없음)

• ✍️ 필기: “pid == 0 → 자식 프로세스”, “pid != 0 → 부모 프로세스”

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출력 결과 예시

Hello, I am parent
Hello, I am child

• 순서는 보장되지 않음 (운영체제의 스케줄러에 따라 달라짐)

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메모리 구조 및 PCB

• fork() 시:
  • PCB 전체가 복사됨 (PID만 다름)
  • 코드, 데이터, 힙, 스택 등 주소 공간이 모두 복제됨
• ✍️ 필기:
  • “A의 메모리 그대로 copy → A1 (child)”
  • “PCB 포함, PID 다름!”

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✅ 암기 포인트

• fork()는 부모 프로세스를 그대로 복사하여 자식 프로세스를 만든다
• 자식 프로세스는 fork()에서 0을, 부모는 자식의 PID를 반환받는다
• fork() 후 두 프로세스는 완전히 독립적으로 실행된다
• 주소 공간(code, data, stack 등)은 모두 복제된다
• 실행 순서는 OS 스케줄러에 따라 다르며, 항상 같은 출력 순서가 아님

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✍️ 추가 필기 요약

• “fork() 결과 A → A1 생성 (복사본)”
• “pid는 A=1110, A1=1111 (예시)”
• “실행 결과는 랜덤 (A가 먼저일 수도, A1이 먼저일 수도)”

 
 
 
 

📄 wait() 시스템 콜 – 부모가 자식 종료를 기다리는 구조

전체 요약

부모 프로세스는 wait() 시스템 콜을 통해 자식 프로세스가 종료될 때까지 blocked 상태로 대기하고, 자식이 종료되면 ready 상태로 복귀한다.

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실행 흐름 요약

① fork() 호출

• 부모와 자식 프로세스가 생성됨
• 자식은 childPID = 0, 부모는 childPID = 실제 PID 받음

② 자식 프로세스 실행

• 조건문에서 childPID == 0이므로 자식은 exec() 호출
• 새로운 프로그램 (예: ls) 실행됨

③ 부모 프로세스는 wait() 호출

• 자식이 종료될 때까지 sleep(blocked) 상태로 전환됨
• 자식 종료 시 → 부모가 ready 상태로 복귀

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그림 설명

• 메모리 구조: 부모와 자식은 fork로 복제되며, 각자 주소 공간과 stack/data/code를 가짐
• fork 시점 → 부모는 wait 호출 후 sleep 상태
• exec 호출 → 자식 프로세스의 주소 공간 내용이 교체됨

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✅ 암기 포인트

• wait()는 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료를 기다리는 시스템 콜이다
• 부모는 wait 호출 이후 blocked 상태가 되며, 자식이 종료되면 ready 상태로 복귀한다
• 자식은 exec()을 호출하여 새로운 프로그램을 실행한다 (fork로 복사된 메모리를 덮어쓴다)
• exec 이후 자식 프로세스는 원래 코드가 아닌 새로운 프로그램을 실행한다

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✍️ 필기 요약 포함

• "parent = bash shell, child = 명령 실행"
• "wait()이 없으면 parent가 먼저 종료되어 자식이 고아 프로세스가 될 수 있음"
• "fork → exec → wait 흐름 이해 중요!"
• "fork 시 code/data/stack 모두 복사, exec 시 자식 코드 교체"

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이 구조는 shell에서 명령어 입력 → 자식 프로세스로 실행 → 결과 기다림 구조랑 1:1로 대응되기 때문에
UNIX 환경에서 아주 자주 등장하는 기초 구조야!
 
 
 

📄 exec() 시스템 콜

전체 요약

exec()는 현재 프로세스의 메모리 내용을 완전히 지우고, 새로운 프로그램으로 교체하여 실행을 시작한다.

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코드 예시 분석

int main() {
    pid_t pid;
    pid = fork();

    if (pid == 0) {
        printf("Hello, I am child. Now I run date\n");
        execlp("date", "date", NULL);
    } else {
        printf("Hello, I am parent\n");
    }
}

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흐름 정리

1. fork(): 부모가 자식을 복사해서 생성
2. pid == 0: 자식 프로세스 블록 진입
   • printf() 실행
   • execlp() 호출 → 현재 자식 프로세스의 메모리 전부 지우고 date 프로그램으로 교체됨
3. 부모 프로세스는 else 블록에서 출력하고 종료

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exec 이후의 변화

• 자식 프로세스는 자기 코드(=main 함수 등)를 잃고 완전히 다른 프로그램(date)으로 바뀜
• printf("Hello, I am child...")는 exec 전에 실행됨
• exec 이후 다시 main()이나 fork()로 돌아가지 않음

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✅ 암기 포인트

• exec()는 현재 프로세스의 주소 공간을 새로운 프로그램으로 완전히 덮어쓴다
• exec()를 호출한 프로세스는 기존 코드로 절대 돌아가지 않는다
• exec()는 fork() 이후 자식 프로세스가 새로운 프로그램을 실행하게 할 때 사용된다
• exec 실행 전 출력은 가능하지만, exec 이후에는 새로운 프로그램만 동작한다
• 부모는 영향을 받지 않고, 자식만 바뀐다

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✍️ 필기 요약

• "fork → 자식 → exec 호출 → 부모와 완전히 다른 프로그램 실행"
• "exec 이후 자식은 기존 A 프로그램 코드 사라짐"
• "date 명령이 실행되며, 자식 프로세스의 PID는 유지됨"
• "fork 이후 흐름 2-1-3-1 (부모→자식→exec→부모)"

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오른쪽 그림 설명

• DRAM 내에서 A 코드가 실행되다가 exec 후,
  → A 코드 지워지고 새로운 프로그램(B 등)이 로딩됨

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이 슬라이드는 fork-exec 구조를 완전히 이해하기 위한 핵심 슬라이드야.
출력 흐름 문제, PID 구분 문제, exec 이후 동작 문제 등 실전 문제와 직결되니까 확실히 암기하고 가자!
 
 
 

📄 Interprocess Communication (IPC)

전체 요약

**IPC(프로세스 간 통신)**은 독립된 프로세스들이 데이터를 주고받기 위한 메커니즘이며, 크게 두 가지 방식으로 나뉜다:
Message Passing 방식과 Shared Memory 방식

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방식 1. Message Passing (메시지 전달 방식)

구조

• 각 프로세스가 운영체제를 통해 메시지를 주고받음
• A → 커널(M) → B (반대로도 가능)
• 커널이 중재자 역할

특징

• OS를 통해 통신하므로 비교적 안전
• 데이터 전송이 직관적
• ✍️ 필기:
  • “MSG Q 방식”
  • “sync는 좋지만, 오버헤드 큼”
  • “복사, 커널 경유 = 성능 저하”

✅ 암기 포인트

• 운영체제를 경유해서 메시지를 주고받는다
• 안전하고 동기화가 쉽지만, 오버헤드가 크고 느릴 수 있다

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방식 2. Shared Memory (공유 메모리 방식)

구조

• 두 프로세스가 같은 메모리 영역(Shared Memory) 에 접근
• A와 B가 직접 read/write 가능
• 커널은 공유 메모리 할당만 하고 직접 개입하지 않음

특징

• 빠르고 효율적 (복사 X)
• 동기화 문제 있음 (서로 덮어쓰기 가능)
• ✍️ 필기:
  • “속도 빠름”
  • “sync 안 되면 데이터 꼬일 수 있음”
  • “커널은 memory 제공만 함”

✅ 암기 포인트

• 공통 메모리 공간을 공유해 직접 데이터를 주고받는다
• 속도가 빠르고 효율적이지만, 동기화 문제가 발생할 수 있다
• 커널 개입이 적어 효율은 좋지만 위험성 있음

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전체 비교 요약

항목Message PassingShared Memory

속도	느림 (커널 경유)	빠름
안정성	높음	낮음 (동기화 필요)
OS 개입	큼	작음
복잡성	낮음	동기화 설계 필요
성능	오버헤드 있음	성능 좋음

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✍️ 필기 포인트 정리

• “(1) MSG Q: sync 좋고, 오버헤드 Bad”
• “(2) SHM: copy 없고 fast, but sync Bad”
• “커널은 shared memory만 할당하고 직접 데이터는 안 다룸”

 

📄 Message Passing: Direct vs Indirect Communication

 

전체 요약

Message Passing 방식은 프로세스가 메시지를 주고받을 때, 직접 이름을 지정하거나 메일박스/포트를 통해 간접적으로 주고받을 수 있다.

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(1) Direct Communication (직접 통신)

구조

• **보내는 프로세스(P)**가 받는 프로세스(Q)의 이름을 명시적으로 지정
• send(Q, message) / receive(P, message)
• OS가 둘 사이 통신을 중재하지만, 구조상 직접 연결

특징

• 단순함
• 송신자와 수신자 쌍방 이름을 반드시 알아야 함
• ✍️ 필기: "msg 방식, 단순하지만 유연성 낮음"

✅ 암기 포인트

• Direct 방식은 통신 상대의 이름을 명시적으로 알아야 한다
• 메시지는 직접 상대에게 전달되며, 포트 같은 중간자 없음
• 구조는 단순하지만 유연성은 낮음

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(2) Indirect Communication (간접 통신)

구조

• **메일박스(Mailbox) 또는 포트(Port)**를 통해 메시지를 주고받음
• 송신자/수신자는 포트에 메시지를 보내고 받음
• send(M, message) / receive(M, message)

특징

• 송수신자는 서로를 몰라도 포트만 공유하면 통신 가능
• N:1, 1:N 통신 구조 가능
• ✍️ 필기:
  • "syscall 통해 mailbox 접근"
  • "port ID 기준으로 메시지 큐 생성됨"
  • “port에 message stack처럼 쌓임”

✅ 암기 포인트

• Indirect 방식은 mailbox/port를 통해 간접적으로 통신한다
• 상대방 이름을 몰라도 메시지 송수신 가능
• 동적 연결 및 유연성 높음
• port는 메시지를 큐(버퍼)처럼 관리

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전체 비교 요약

항목Direct CommunicationIndirect Communication

상대 지정	명시적 (상대 이름 직접 지정)	간접적 (포트 이름 지정)
유연성	낮음	높음
구조	단순	유연 (port 여러 개 가능)
활용	고정된 쌍방 통신에 적합	동적 구성 가능, 실용적

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✍️ 필기 요약

• "Direct 방식은 단순하지만 포트 공유 불가"
• "Indirect는 포트 ID 기준, 메시지 queue처럼 사용"
• "syscall 통해 포트에 메시지 전달 / 수신"
• "process M과 port M 구분 잘할 것"