[LinuxProgramming] Chapter 08. 프로세스

Chapter 08. 프로세스

리눅스 프로그래밍 원리와 실제 - 창병모 교수님

8.1 쉘과 프로세스

1) 쉘

- 쉘(Shell)

사용자와 운영체제 사이에 창구 역할을 하는 소프트웨어
사용자로부터 명령어를 입력받아 이를 처리하는 명령어 처리기(Command Processor) 역할 수행

* 프로세스: 실행 중인 프로그램

- 쉘의 실행 절차

쉘은 시작하면 실행 파일을 읽어 실행
시작 파일은 환경 변수와 같은 사용자의 사용 환경을 초기화하는데 주로 사용
bash의 경우 시스템 차원의 시작 파일로 /etc/profile과 /etc/bashrc를 사용하고 사용자 차원의 시작 파일로 ~/.bash_profile과 ~/.bashrc를 사용함
쉘은 시작 파일을 실행한 후에 프롬프트를 출력하고 사용자의 명령을 기다림
사용자의 명령이 입력되면 이를 해석하여 실행한 후 다시 프롬프트를 출력하는 과정부터 반복

2) 명렁어 실행

- 명령어 실행

쉘은 사용자가 입력한 명령어를 실행하기 위해 새로운 자식 프로세스를 생성하여 이 프로세스로 하여금 입력된 명령어를 실행하게 함
쉘 내에서 자식 프로세스를 생성 → 이 자식 프로세스가 입력된 명령어를 실행 → 쉘은 자식 프로세스 실행을 끝날 때까지 기다림

$ date
2022. 05. 27. (금) 17:48:58 KST
$ ./hello
hello world!

- 명령어 열(command sequence)

여러 명령어를 순차적으로 실행
쉘은 각 명령어를 위한 자식 프로세스를 순차적으로 생성하여 각 프로세스로 하여금 한 명령어씩 실행하게 됨

$ 명령어1; 명령어2; ...; 명령어n

- 명령어 그룹(command group)

명령어를 순차적으로 실행하는 면에서는 명령어 열과 같음
but, 명령어 그룹은 마치 하나의 명령어처럼 사용되어 표준입력, 표준출력, 표준오류를 공유함

$ (명령어1; 명령어2; ...; 명령어n)

입출력 재지정과 파이프를 사용할 때 마치 하나의 명령어처럼 모든 입출력을 재지정 혹은 파이프 처리할 수 있음

$ date; who; pwd > out1.txt
$ (date; who; pwd) > out2.txt

첫번째 명령은 pwd의 결과만 out1.txt에 저장되는 반면에 두번째 명령은 모든 명령어의 결과가 out2.txt에 저장됨

3) 전면 처리와 후면 처리

- 전면 처리

명렁어를 입력하면 명령어가 전면에서 실행되며 명령어 실행이 끝날 때까지 쉘이 기다려 줌
전면에서 실행되고 있는 명령어는 필요에 따라 키보드와 모니터로 적당한 입출력을 할 수 있음
명령어를 전면 처리하면 한 순간에 하나의 명령어만 실행할 수 있음
전면에서 실행 중 일 때

명령어	설명
$ 명령어 ^C	Ctrl-C를 입력하면 실행 중인 명령어가 강제 종료됨
$ 명령어 ^Z 정지됨	Ctrl-Z를 입력하면 명령어 실행이 정지됨
$ fg	정지된 명령어는 fg 명령어를 입력하면 다시 돌아와서 전면에서 실행을 계속함

- 후면 처리

명령어를 후면에서 처리하고 전면에서는 다른 작업을 할 수 있으면 동시에 여러 작업을 수행할 수 있음
다음과 같이 & 기호를 사용하여 후면에서 명령을 실행시킬 수 있음

$ 명령어 &
명령어를 후면에서 실행함

시간이 오래 걸리는 작업이나 동시에 여러 작업을 수행하고자 할 때 후면처리를 이용할 수 있음
fg 명령어를 이용하면 후면 실행되고 있는 작업들 중 하나를 선택하여 전면 실행시킬 수 있음

$ fg %작업번호
작업번호에 해당하는 후면 작업을 전면 작업으로 전환시킴

예시

// 100초 동안 정지한 후에 done 메시지를 출력
$ (sleep 100; echo done)&
[1] 8320

// 현재 디렉터리 밑에서 test.c파일을 찾아 프린트
$ find . -name text.c -print &
[8325]

// jobs 명령어는 후면 실행되고 있는 작업들을 리스트 함
$ jobs
[1]- 실행중		(sleep 100; echo done)
[2]+ 완료			 find . -name test.c -print

// 후면에서 실행 중인 작업 [1]을 전면에서 실행
$ fg %1
(sleep 100; echo done)

후면 프로세스는 모니터에 출력할 수는 있지만 이 경우 전면 프로세스의 출력과 뒤섞일 것
- 이를 방지하려면 다음과 같이 출력 재지정을 이용하여 후면 프로세스의 출력을 파일에 저장하거나 파이프를 이용하여 메일로 보낼 수 있음

$ find . -name test.c -print > find.txt &
$ find . -name test.c -print | mail euna &

키보드로부터의 모든 입력은 전면 프로세스가 받기 때문에 후면 프로세스는 키보드로부터 입력을 받을 수 없음
- 후면 프로세스가 실행 중 입력이 필요하면 다음과 같이 입력 재지정을 이용하여 파올로부터 입력을 받을 수 있음

$ wc < inputfile &

4) 프로세스 리스트 ps

- 프로그램이 실행되면 이를 프로세스(process) 혹은 작업(job)이라고 함

- ps 명령어

현재 실행 중인 프로세스를 확인
현재 존재하는 프로세스들의 실행 상태를 요약해서 출력
옵션을 사용하지 않으면 자신의 프로세스들만을 출력하며 프로세스 번호, 명령어가 시작된 터미널, 프로세스에 사용된 CPU시간, 그리고 명령어 그 자체를 나열

$ ps
PID		TTY		TIME		CMD
31745	pts/0	00:00:00	bash
59887	pts/0	00:00:00	ps

옵션을 적절히 사용하여 현재 시스템에서 실행되고 있는 프로세스들에 대한 다양한 상태정보를 출력할 수 있음

$ ps [-옵션]

옵션은 BSD 유닉스와 시스템 V의 경우 서로 다른데 리눅스에서는 이 둘을 모두 사용할 수 있음
BSD 계열인 경우 일반적으로 ps, ps -a, ps -aux 등을 많이 사용
- -a: 모든 사용자의 프로세스를 출력
- -u: 프로세에 대한 더 자세한 정보를 출력
- -x: 더 이상 제어 터미널을 갖지 않은 프로세스들도 함께 출력
시스템 V 계열인 경우에는 일반적으로 ps, ps -ef 등을 많이 사용
- -e: 현재 시스템 내에 실행 중인 모든 사용자 프로세스 정보를 출력
- -f: 프로세스에 대한 좀 더 자세한 정보를 출력
다음과 같은 명령어를 사용하여 현재 시스템 내에서 실행중인 프로세스를 모두 리스트할 수 있음
- ps -ef | more

5) 프로세스 제어

- sleep

지정된 시간만큼 프로세스 실행을 지연시킴

$ sleep 초 // 지연된 시간(초)만큼 프로세스 실행을 지연시킴

- kill

현재 실행중인 프로세스를 강제로 종료시키는데 사용
프로세스 번호 또는 작업 번호를 인수로 명시하여 해당 프로세스를 종료시킴

$ kill 프로세스번호
$ kill %작업번호
// 프로세스 번호(혹은 작업 번호)에 해당하는 프로세스를 강제로 종료시킴

- wait

해당 프로세스 번호를 갖는 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다림 → 그 동안 쉘은 중지됨
프로세스 번호를 지정하지 않으면 모든 자식 프로세스가 기다리기를 기다림

$ wait [프로세스번호]
// 해당 프로세스 번호를 갖는 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다림. 
프로세스 번호를 지정하지 않으면 모든 자식 프로세스가 끝나길 기다림

- exit

exit 명령어는 쉘을 종료하고 종료코드(exit)를 부모 프로세스에게 전달

$ exit [종료값] // 쉘을 종료하고 종료코드(exit code)를 부모 프로세스에게 전달

8.2 프로그램 실행

1) 프로그램 실행 exec()

- exec()

exec() 시스템 호출은 실행될 프로그램의 시작 루틴에서 명령줄 인수와 환경변수를 전달
실행파일에는 C 프로그램의 코드와 더불어 C 시작 루틴(start-up routine)이 포함됨
이 시작 루틴은 exec() 시스템 호출로부터 전달받은 명령줄 인수와 환경 변수 등을 다음과 같이 main()함수를 호출하면서 main()함수에 다시 전달
main() 함수에서부터 사용자가 작성한 프로그램의 실행이 시작되고 결국 main()함수의 실해잉 끝나면 main() 함수의 반환 값을 받아 exit함

exit(main(argc, argv));

2) 명령줄 인수 argv[]

- 프로그램을 실행할 때 exec() 시스템 호출

실행되는 프로그램에게 명령줄 인수를 전달
실행되는 프로그램의 main() 함수는 argc와 argv 매개변수를 통해서 각각 명령줄 인수의 개수와 명령줄 인수들을 포인터 형태로 전달 받음

int main(int argc, char *argv[]);
argc: 명령줄 인수의 개수
argv[]: 명령줄 인수 리스트를 나타내는 포인터 배열

명령줄 인수 출력은 argv[]와 인덱스를 활용하여 할 수 있음

3) 환경 변수

- 환경 변수

쉘이 원래 가지고 있던 것을 쉘이 프로그램을 실행시킬 때 실행되는 프로그램(프로세스)에게 넘겨주게 됨
구체적으로는 전역 변수 environ을 통해 환경 변수와 값의 리스트를 포인터 배열 형태로 전달 받음

- 환경 변수 출력 프로그램

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

// 모든 환경 변수를 출력함
int main(int argc, char *argv[]){
	char **ptr;
    extern char **environ; // extern 전역 변수 처럼 사용하며 이중 포인터임. 
    					   //즉, 화살표를 두번 따라가야 원하는 내용이 있음
    
    for(ptr = environ; *ptr !=0; ptr++)
    	printf("%s\n", *ptr);
    exit(0);
}

4) 환경 변수 값 반환 함수 getenv()

- getenv() 시스템 호출: 특정 환경 변수의 값을 가져올 수 있음

#include<stdlib.h>
char *getenv(const char *name); // 환경 변수 name의 값을 반환. 해당 변수가 없으면 NULL을 반환

- 환경변수 HOME, SHELL, PATH 출력 프로그램

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[]){
	char *ptr;
    
    ptr = getenv("HOME");
    printf("%s\n",ptr);
    
    ptr = getenv("SHELL");
    printf("%s\n",ptr);
    
    ptr = getenv("PATH");
    printf("%s\n",ptr);
    
    exit(0);
}

5) 환경 변수 값 설정

- 환경 변수 설정

putenv(): name=value 형태의 스트링을 매개변수로 받아서 환경 변수를 설정
setenv(): 환경 변수 name과 값 value를 각각 매개변수로 받아서 환경 변수를 설정

#include<stdlib.h>
int putenv(const char *name);
// name = value 형태의 스트링을 받아서 이를 호나경 변수 리스트에 넣어줌.
// 환경 변수 name이 이미 존재하면 원래 값을 새로운 값으로 대체

int setenv(const char *name, const char *value, int rewrite);
// 환경 변수 name의 값을 value로 설정
// 환경 변수 name이 이미 존재하는 경우에는
// -> rewrite 값이 0이 아니면 원래 값을 새로운 값으로 대체하고 rewrite값이 0이면 그대로 둠

- 환경 변수 삭제

unsetenv()

#include<stdlib.h>
int unsetenv(const char *name);
// 환경 변수 name의 값을 지움

8.3 프로그램 종료

1) 프로그램 종료 방법

- 정상 종료(normal termination)

main() 실행을 마치고 리턴하면 C 시작 루틴은 이 리턴값을 가지고 exit() 호출
프로그램내에서 직접 exit()을 호출
프로그램 내에서 직접 _exit()을 호출

- 비정상 종료(abnormal termination)

abort(): 프로세스에 SIGABRT 시그널을 보내어 프로세스를 비정상적으로 종료
시그널에 의한 종료

- exit()

모든 열린 스트림을 닫고(fclose), 출력 버퍼의 내용을 디스크에 쓰는(fflush) 등의 뒷정리 후 프로세스를 정상적으로 종료
종료 코드(exit code)를 부모 프로세스에게 전달

#include<stdio.h>
void exit(in status);
// 뒷정리를 한 후 프로세스를 정상적으로 종료시킴
// exit()내에서는 뒷정리 후 _exit()를 호출

- _exit()

#include<stdio.h>
void _exit(int status);
// 뒷정리를 하지 않고 프로세스를 즉시 종료시킴

2) 프로그램 시작과 종료 과정

(1) 프로그램은 exec() 시스템 호출에 의해 실행이 시작됨

(2) 프로그램은 실행이 시작되면 C 시작 루틴부터 시작되며 이 루틴에서 main() 함수를 호출함으로써 사용자가 작성한 main() 함수의 실행이 시작됨

(3) main() 함수는 시작되면 필요에 따라 사용자 함수를 호출함. main 함수는 최종적으로 반환함으로써 종료할 수 있으며 이때 반환값이 C시작 루틴에 전달되고 C시작 루틴은 이 값을 가지고 exit()함

(4) 또한 main 함수든 사용자 함수든 어떤 함수에서도 직접 exit() 혹은 _exit() 시스템 호출을 할 수 있음

(5) exit() 시스템 호출을 하면 시스템 내의 _exit() 함수가 실행되고 결국 프로그램은 종료되는데 이 함수는 프로그램을 종료하기 전에 표준적인 I/O 뒷정리를 수행

(6) _exit() 시스템 호출을 하는 경우에는 이러한 두시정리 없이 바로 종료

3) exit 처리기

- exit() 시스템 호출에 의해 프로세스가 정상적으로 종료될 때 연린 파일을 닫는 등의 표준적인 I/O 뒷정리는 기본적으로 수행함

- 사용자는 별도의 뒷정리 작업을 하기 위하여 exit()에 의한 프로세스 종료 과정에서 자동으로 수행될 exit 처리기 함수를 등록할 수 있음

- 이를 위해서 사용자는 원하는 뒷정리 작업을 하는 함수를 작성하고 이를 다음과 같은 atexit() 시스템 호출을 이용해 등록해주면 됨

이 처리기 함수는 프로그램이 종료될 때 자동적으로 호출되어 실행됨
32개의 함수를 등록할 수 있음
등록된 exit 처리기는 프로그램이 종료될 때 등록된 역순으로 호출되어 실행됨

- 처리기 예제

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
static void exit_handler1(void), exit_handler2(void);

int main(void){
	if(atexit(exit_handler1)!=0)
    	perror("exit_handler1 등록할 수 없음");
    if(atexit(exit_handler2)!=0)
    	perror("exit_handler2 등록할 수 없음");
    printf("main 끝\n");
    exit(0);
}

static void exit_handler1(void){
	printf("첫 번째 exit 처리기\n");
}

static void exit_handler2(void){
	printf("두 번째 exit 처리기\n");
}

두 개의 exit 처리기를 등록하고 있으며 종료될 때 등록된 역순으로 호출되어 실행됨

8.4 프로세스 ID와 프로세스의 사용자 ID

1) 프로세스 ID

- 프로세스: 실행 중인 프로그램

한 프로그램은 여러번 실행될 수 있으므로 한 프로그램으로부터 여러 개의 프로세스를 만들 수 있음
프로그램 그 자체가 프로세스는 아님

- 각 프로세스는 프로세스를 구별하는 번호인 프로세스 ID를 가짐

각 프로세스는 자신을 생성해준 부모 프로세스가 있음

#include<unistd.h>
int getpid(); // 프로세스의 ID를 리턴
int getppid(); // 부모 프로세스의 ID를 리턴

프로세스 번호 출력

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>

// 프로세스 번호를 출력
int main(){
	printf("나의 프로세스 번호 : [%d]\n", getpid());
    printf("내 부모 프로세스 번호: [%d]\n", getppid());
}

부모 프로세스: 쉘 프롬프트를 내주고 있는 쉘 프로세스

각 프로세스는 현재 작업 디렉터리를 가지고 있음
- chdir() 시스템 호출: 현재 작업 디렉토리를 매개변수가 지정한 경로 pathname으로 변경
- 이 시스템 호출이 성공하려면 프로세스는 그 디렉터리에 대한 실행 권한이 있어야 함

#include<unistd.h>
int chdir (char *pathname);
// 현재 작업 디렉토리를 pathname으로 변경함
// 성공하면 0 실패하면 -1을 리턴

2) 프로세스의 사용자 ID와 그룹 ID

- 프로세스는 프로세스 ID 외에 그 프로세스를 실행시킨 사용자 ID와 그 사용자의 그룹 ID를 가짐

- 프로세스의 사용자 ID와 프로세스의 그룹 ID는 프로세스가 수행할 수 있는 권한을 검사하는데 사용

- 프로세스의 실제 사용자 ID(real user ID)

그 프로세스를 실행한 원래 사용자의 사용자 ID로 설정됨
예를 들어 chang이라는 사용자 ID로 로그인하여 어떤 프로그램을 실행시키면 그 프로세스의 실제 사용자 ID는 chang이 됨

- 프로세스의 유효 사용자 ID(effective user ID)

현재 유효한 사용자 ID로 새로 파일을 만들 때나 파일에 대한 접근 권한을 검사할 때 주로 사용됨
보통 유효 사용자 ID와 실제 사용자 ID는 특별한 실행파일을 실행할 때를 제외하고는 동일함

- 프로세스의 사용자 ID와 그룹 ID의 시스템 호출

#include<sys.types.h>
#include<unistd.h>
uid_t getuid(); // 프로세스의 실제 사용자 ID를 반환
uid_t geteuid(); // 프로세스의 유효 사용자 ID를 반환
uid_t getgid(); // 프로세스의 실제 그룹 ID를 반환
uid_t getegid(); // 프로세스의 유효 그룹 ID를 반환

int setuid(uid_t uid); // 프로세스의 실제 사용자 ID를 uid로 변경
int seteuid(uid_t uid); // 프로세스의 유효 사용자 ID를 uid로 변경
int setgid(gid_t gid); // 프로세스의 실제 그룹 ID를 gid로 변경
int setegid(gid_t gid); // 프로세스의 유효 그룹 ID를 gid로 변경

3) 프로세스의 사용자 ID 예제

- 프로세스의 실제/유효 사용자 ID와 실제/유효 그룹 ID를 조사해보는 프로그램

#include<stdio.h>
#include<pwd.h>
#include<grp.h>
#include<unistd.h>

int main(){
	printf("나의 실제 사용자 ID: %d(%s)\n",getuid(), getpwuid(getuid())->pw_name);
    printf("나의 유효 사용자 ID: %d(%s)\n",geteuid(), getpwuid(geteuid())->pw_name);
    printf("나의 실제 그룹 ID: %d(%s)\n",getgid(), getgrgid(getgid())->gr_name);
    printf("나의 유효 그룹 ID: %d(%s)\n",getegid(), getgrgid(getegid())->gr_name);
}

사용자 이름이나 그룹 이름으로 출력하기 위해서는

getpwuid() 함수와 getgrgid() 함수를 사용하여 이름으로 변환해야 함

4) set-user-id 실행권한

- 특별한 실행권한 set-user-id(set user ID upon execution)

set-user-id가 설정된 실행파일을 실행하면, 이 프로세스의 유효 사용자 ID는 그 실행파일의 소유자로 바뀌게 되어 결과적으로 이 프로세스는 실행되는 동안 그 파일의 소유자 권한을 갖게됨

- set-user-id 실행권한이 설정된 실행파일의 예

패스워드를 변경하는 /bin/passwd 명령어
소유자의 실행 권한이 x가 아니고 s로 표시된 것을 볼 수 있음

(1) 이 실행파일은 set-user-id 실행권한이 설정된 파일이며 소유자는 root임

(2) 일반 사용자 euna가 다음과 같이 이 파일을 실행하게 되면 실행 파일의 소유자인 root가 이 프로세스의 유효 사용자 id가 됨

$ /bin/passwd

(3) 이제 이 프로세스는 유효 사용자 ID가 root이므로 root만 수정할 수 있는 암호 파일 /etc/shadow 파일을 접근하여 수정할 수 있음

5) set-user-id 실행권한 설정

- set-user-id 실행권한 설정은 심볼릭 모드로 's'로 표현되고 8진수로는 4000으로 표현

set-user-id 실행권한 설정

$chmod 4755 file1

- set-group-id 실행권한이 포함되어 있는 실행 파일은 실행되는 동안에 그 파일의 소유자의 그룹을 프로세스의 유효 그룹 ID로 갖게되며 8진수로는 2000으로 표현됨

set-group-id 실행권한 설정

$ chmod 2755 file1

- 실행 예시

uid 프로세스의 유효 사용자 ID가 이 파일의 소유자인 root가 되어 있는 것을 확인할 수 있음

8.5 프로세스 이미지

1) 프로세스

- 프로세스는 실행중인 프로그램

- 프로그램 실행을 위해서는 프로그램의 코드, 데이터, 스택, 힙, U-영역 등이 필요

- 프로세스 이미지(구조) = 메모리 내의 프로세스 레이아웃

- 프로그램 자체가 프로세스는 아님

2) 프로세스 구조

- 텍스트(text): 프로세스가 실행하는 실행코드를 저장하는 영역

- 데이터(data): 전역 변수(global variable) 및 정적 변수(static variable)를 위한 메모리 영역

- 힙(heap): 동적 메모리 할당을 위한 영역. C언어의 malloc 함수를 호출하면 이 영역에서 동적으로 메모리를 할당해줌

- 스택(stack area): 함수 호출을 구현하기 위한 실행시간 스택(runtime stack)을 위한 영역으로 활성 레코드(activation record)가 저장됨

- U-영역(user-area): 열린 파일 디스크립터, 현재 작업 디렉터리 등과 같은 프로세스의 정보를 저장하는 영역

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