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[Operating System] System Call

fork(), exec(), wait() 계열은 프로세스 생성과 제어를 설명할 때 가장 자주 나오는 시스템 콜이다.

fork(): 현재 프로세스를 복제해 자식 프로세스를 만든다.
exec() 계열: 현재 프로세스의 실행 이미지 자체를 다른 프로그램으로 바꾼다.
wait() / waitpid(): 부모가 자식의 상태 변화를 기다리고 회수(reap)한다.

fork

새로운 자식 프로세스를 생성할 때 사용한다.

fork()가 호출되면 부모와 자식은 같은 코드 지점부터 각각 실행을 이어 간다. 즉, 자식이 main() 처음부터 다시 시작하는 것이 아니라 fork()가 반환된 직후부터 실행된다.

다만 반환값이 다르기 때문에 부모와 자식이 서로 다른 분기를 탈 수 있다.

부모에서의 반환값: 자식의 PID
자식에서의 반환값: 0
실패 시: -1

또한 부모와 자식은 "완전히 같은 프로세스 하나를 둘로 나눈 것"이 아니라, 초기 내용이 같은 별도 주소 공간을 갖는다. 현대 운영체제는 보통 copy-on-write(COW) 로 구현하므로, fork() 시점에 메모리를 전부 즉시 복사하지 않는다.

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

int main(void) {
    pid_t rc = fork();

    if (rc < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) {
        printf("child pid = %d\n", (int)getpid());
    } else {
        printf("parent pid = %d, child pid = %d\n", (int)getpid(), (int)rc);
    }

    return 0;
}

부모와 자식 중 누가 먼저 출력할지는 스케줄러가 결정하므로 비결정적이다.

wait / waitpid

부모 프로세스가 자식의 상태 변화를 기다리는 시스템 콜

가장 흔한 경우는 "자식이 종료될 때까지 기다린 뒤 회수하는 것"이다.

자식이 아직 종료되지 않았으면 부모는 block될 수 있다.
자식이 이미 종료되어 zombie 상태라면 즉시 반환하면서 자식을 회수한다.
waitpid()는 특정 자식을 기다리거나 옵션을 줄 수 있어서 실무에서 더 자주 쓰인다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    pid_t rc = fork();

    if (rc < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) {
        printf("child pid = %d\n", (int)getpid());
        _exit(0);
    } else {
        pid_t wc = waitpid(rc, NULL, 0);
        printf("parent pid = %d, waited child = %d\n", (int)getpid(), (int)wc);
    }

    return 0;
}

즉, wait()를 쓰면 "부모의 다음 코드가 실행되기 전에 자식 종료를 확인한다"는 보장을 얻을 수 있다.

exec

fork()는 자식을 만들고, exec()는 현재 프로세스의 실행 이미지 자체를 다른 프로그램으로 교체한다.

중요한 점은 다음과 같다.

exec()는 새 프로세스를 만들지 않는다.
성공하면 현재 프로세스의 코드/데이터/힙/스택/메모리 매핑이 새 프로그램 기준으로 다시 구성된다.
프로세스 ID는 보통 유지된다.
FD_CLOEXEC가 설정되지 않은 파일 디스크립터는 열려 있을 수 있다.
성공하면 exec() 뒤의 코드는 실행되지 않는다. 실패했을 때만 반환한다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    pid_t rc = fork();

    if (rc < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    } else if (rc == 0) {
        execlp("ls", "ls", "-l", NULL);
        perror("execlp");
        _exit(1);
    } else {
        waitpid(rc, NULL, 0);
        printf("parent done\n");
    }

    return 0;
}

셸이 명령을 실행할 때도 보통 fork()로 자식을 만든 뒤, 자식에서 exec()를 호출하는 패턴을 사용한다.

[Operating System] System Call ​

fork ​

wait / waitpid ​

exec ​

[Operating System] System Call

fork

wait / waitpid

exec