그림으로 배우는 리눅스 구조 5장. 프로세스 관리(응용편)

출처: 그림으로 배우는 리눅스 구조

그림으로 배우는 리눅스 구조 - 예스24

선배가 옆에서 하나하나 알려주듯 친절히 설명해주는실습과 그림으로 배우는 리눅스 지식의 모든 것 * Go 언어와 Python, Bash 스크립트 실습 코드 제공* 이 도서는 『실습과 그림으로 배우는 리눅스 구조』의 개정판입니다.리눅스 커널 책의 두께와 깊이에 ...

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빠른 프로세스 작성 처리

fork() 함수 고속화: 카피 온 라이트

execve() 함수의 고속화 : Demand paging

프로세스 통신

공유 메모리

시그널

파이프

소켓

배타적 제어

돌고 도는 배타적 제어

멀티 프로세스와 멀티 스레드

Column) 커널 스레드와 사용자 스레드

빠른 프로세스 작성 처리

fork() 함수 고속화: 카피 온 라이트

fork() 함수 호출 시 부모 프로세스의 메모리를 자식 프로세스에 모두 복사하는 것이 아니라 페이지 테이블만 복사한다. 그리고 부모와 자식 양쪽 다 페이지에 쓰기 권한을 무효화한다.

부모와 자식 중 어느 한쪽이 데이터를 갱신하려고 하면 페이지 공유를 해제하고, 프로세스마다 전용 페이지를 만든다.

<자식 프로세스가 페이지 데이터를 갱신하면 일어나는 일>

페이지에 처음으로 쓰기를 할 때 데이터를 복사하기 때문에 Copy On Write(CoW)라고 부른다.

→ fork() 함수를 호출한 순간에는 메모리를 전부 복사하지 않아도 되므로 함수 처리가 빨라지고 메모리 사용량도 줄어든다.

RSS 값 : 페이지 테이블 내부에서 물리 메모리가 할당된 메모리 영역 합계

💡프로세스가 물리 메모리를 다른 프로세스와 공유하는지 여부를 따지지 않는다. 그래서 ps 명령어로 확인한 모든 프로세스의 RSS 값을 합치면 전체 물리 메모리 용량을 넘는 경우도 있다.

execve() 함수의 고속화 : Demand paging

실제로 사용 시 물리 메모리를 할당하는 Demand paging은 프로세스에 새로운 메모리 영역을 할당할 때뿐만 아니라 exevce() 함수 호출에도 잘 어울리는 기능이다.

execve() 함수 호출 직후라면 프로세스용 물리 메모리는 아직 할당되지 않았다.

이후에 프로그램이 엔트리 포인트에서 실행을 시작하면 엔트리 포인트에 대응하는 페이지가 존재하지 않으므로 페이지 폴트가 발생한다.

페이지 폴트 처리 결과로 프로세스에 물리 메모리가 할당된다.

프로세스 통신

프로세스 통신 : 여러 프로세스가 데이터를 공유하기위한 OS가 제공하는 기능

공유 메모리

fork() 함수를 호출한 이후의 부모와 자식 프로세스는 데이터를 공유하지 않기 때문에 어떤 한쪽의 데이터를 갱신하더라도 다른 쪽 프로세스에 있는 데이터에는 영향을 주지 않는다.

CoW 기능으로 쓰기 작업을 하면 별도의 물리 메모리가 할당되기 때문.

→ 공유 메모리 방식을 사용하면 여러 프로세스에 동일한 메모리 영역 매핑 가능

• shared-memory.py

  #!/usr/bin/python3
  
  import os
  import sys
  import mmap
  from sys import byteorder
  
  PAGE_SIZE = 4096
  
  data = 1000
  print("자식 프로세스 생성 전 데이터 값: {}".format(data))
  shared_memory = mmap.mmap(-1, PAGE_SIZE, flags=mmap.MAP_SHARED)
  
  shared_memory[0:8] = data.to_bytes(8, byteorder)
  
  pid = os.fork()
  if pid < 0:
      print("fork()에 실패했습니다", file=os.stderr)
  elif pid == 0:
      data = int.from_bytes(shared_memory[0:8], byteorder)
      data *= 2
      shared_memory[0:8] = data.to_bytes(8, byteorder)
      sys.exit(0)
  
  os.wait()
  data = int.from_bytes(shared_memory[0:8], byteorder)
  print("자식 프로세스 종료 후 데이터 값: {}".format(data))

시그널

POSIX에는 SIGUSR1과 SIGUSR2 처럼 프로그래머가 자유롭게 용도를 정하면 되는 시그널이 있다.

이런 시그널을 활용해서 두 프로세스가 서로 시그널을 주고 받으며 진행 정도를 확인하면서 처리를 진행할 수 있다. 다만 시그널은 원시적인 구조라 복잡하지 않은 단순한 일을 할 때만 사용한다.

💡dd 명령어에 SIGUSR1을 보내면 진척 상황을 표시하는 숨은 기능이 있다.

파이프

프로세스는 파이프를 통해 통신할 수 있다.

ex) bash 같은 셀에서 | 문자로 프로그램끼리 처리 결과 연계

free | awk '(NR==2){print $2}'

이외에도 양방향 통신도 가능하고 파일을 사용해서 프로세스를 연결하는 등 다양한 일을 할 수 있다.

소켓

= 두 프로그램(프로세스)이 통신하기 위한 객체.

클라이언트, 서버 소켓이 있다. 프로세스간 InputStream, OutputStream 연결하는 것

1. 유닉스 도메인 소켓 : 같은 기기에 있는 프로세스 사이에서만 통신하는 방법

2. TCP 소켓, UDP 소켓 : 인터넷에서 사용. 다른 기기에 있는 프로세스 사이에서도 통신이 가능하다.(1보다는 느림)

배타적 제어

배타적 제어 : 자원에 한 번에 하나의 처리만 가능하게 하는 것

(그냥 배타락, 쓰기락)

<상호 배제>

• 크리티컬 섹션(임계 구역) : 동시에 실행되면 안 되는 처리 흐름 → 걍 임계 영역

• 아토믹 처리 : 하나의 처리로 다루어야 하는 처리 흐름

  File lock을 통해 아토믹 처리할 수 있음.

  : flock()이나 fcntl() 시스템 콜을 사용해 파일의 lock/unlock 상태를 변경한다.

돌고 도는 배타적 제어

File lock은 기계어로 구현한다.(C언어 같은 고급 언어로 ㄴㄴ)

lock = 1

unlock = 0

start:
	load r0 mem // mem 주소의 메모리를 읽어서 레지스터에 저장.  
	test r0 // r0이 0인지 확인
	jmpz enter // r0이 0이면 enter 레이블로 점프
	jmp start // r0이 0이 아니라면 start 레이블로 돌아감
enter:
	store mem 1 // mem에 1을 쓰기. 이때 lock 상태가 됨

...
<크리티컬 섹션>
...

store mem 0

각자 다른 처리에서 1을 동시에 실행 시 둘 다 크리티컬 섹션에 들어가도 된다기 판단하기 때문에 위의 코드도 문제가 있다.

1-5를 아토믹 처리해야 함.

→ p.164 참고

멀티 프로세스와 멀티 스레드

멀티 프로세스 : fork()나 execve()를 이용해 프로세스를 생성하고 통신 기능을 사용해서 처리

멀티 스레드 : 프로세스 내부에 여러 개의 흐름을 작성

<멀티 스레드의 장점>

• 페이지 테이블 복사가 필요 없어서 생성 시간이 짧다.

• 다양한 자원을 동일한 프로세스 내부의 모든 스레드가 공유하므로 메모리를 비롯한 자원 소비량이 적다.

• 모든 스레드가 메모리를 공유하므로 협조해서 동작하기 쉽다.

<멀티 스레드 단점>

Column) 커널 스레드와 사용자 스레드

: ps -eLF

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