왜 프로세스를 생성할 때 fork()를 사용할까?

학습 배경

fork()

• 같은 프로그램에서 새로운 제어 흐름을 만드는 용도

• 다른 프로그램을 실행하는 새 프로세스를 만드는 용도. 예를 들면 쉘에서 명령어를 통해 프로세스를 실행하면 쉘은 fork()를 통해 자식 프로세스를 만들고, exec()를 통해 주어진 명령에 해당하는 프로그램을 실행한다.

개인적으로 첫 번째 이유로 fork를 사용하는 경우는 많이 줄었을 것으로 생각된다. 대개 새로운 제어 흐름은 스레드를 통해 만들기 때문이다. 물론 스레드를 만드는 것보다 프로세스를 만드는 것이 안정성측면에서 더 나을 수 있기때문에 절대적으로 우월한 것은 아니다.

fork()를 사용하여 자식 프로세스를 생성하는 예제

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

int global_count = 0; // Data영역에 할당

int main(int argc, const char * argv[]) {
	int local_count = 0; // Stack영역에 할당
	int pid = fork();

	if (pid == 0) {
		// 자식 프로세스에서 실행되는 영역
		global_count++;
		local_count++;
		printf("[Child] global count: %d(%p)\n", global_count, &global_count);
		printf("[Child] local count: %d(%p)\n", local_count, &local_count);
	} else {
		// 부모 프로세스에서 실행되는 영역
		printf("[Parent] global count: %d(%p)\n", global_count, &global_count);
		printf("[Parent] local count: %d(%p)\n", local_count, &local_count);
	}

	return 0;
}
// 실행결과
// [Child] global count: 1(0x10ddc5028)
// [Child] local count: 1(0x7ffee1e4283c)
// [Parent] global count: 1(0x10ddc5028)
// [Parent] local count: 0(0x7ffee1e4283c)

• fork가 성공하면 child 프로세스를 생성 → parent 프로세스에게는 child 프로세스의 PID 반환 / child 프로세스에게는 0 반환

그런데 child 프로세스도 같은 copy된 main프로세스를 실행하게 되니 pid_t pid = fork(); 가 또 실행되고 이게 무한히 반복되는 것은 아닌가? 하는 의문이 들었다. 하지만 위에서 적은 것처럼 부모의 PCB도 fork()를 통해 자식에게 복사된다(PPID와 PID만 다르다). 그리고 PCB에는 CPU에서 수행되던 레지스터의 값들이 저장되어 있고, 여기에는 Program Counter의 정보도 존재한다.따라서 child 프로세스에서도 fork 이후부터 코드가 실행된다.

fork()와 COW(Copy On Write) 정책

사실 가상메모리라는 것 자체가 모든 개별 프로세스가 상대 주소를 갖고, 실제 물리 주소를 페이지테이블을 이용해 운영체제가 관리하는 것이므로 위 내용은 당연한 내용이다.

COW(Copy On Write)란?

fork 코드의 해석과 비용 계산

• 부모 프로세스의 페이지 테이블을 복사하는 비용

• 자식 프로세스를 기술하기 위한 PCB를 할당받는 비용

결론

1. 복제라는 작업 자체가 빈 메모리 공간에 새로운 공간을 할당하고, 새 프로그램을 로드하는 것보다 간단하다(템플릿을 가져다가 쓰는 것과 비슷한 느낌이다).

2. Copy On Write 로 인해서 복제의 비용이 거의 들지 않는다.

3. 부모 프로세스를 종료하면 자식 프로세스도 정리되는 것처럼, 관리의 용이성 측면도 있다.

참고