[리눅스커널][프로세스] 프로세스는 어떻게 생성하나?

프로세스에 대한 이해를 하려면 프로세스가 어떻게 생성되는 지 알면 좋습니다. 프로세스 생성 과정에서 프로세스를 관리하는 자료구조 관계를 알 수 있기 때문입니다. 

리눅스에서 구동되는 프로세스는 크게 유저 레벨에서 생성된 프로세스와 커널 레벨에서 생성된 프로세스가 있습니다. 

유저 레벨에서 생성된 프로세스는 유저 공간에서 프로세스를 생성하는 라이브러리(glibc) 도움을 받아 커널에게 프로세스 생성 요청을 합니다. 커널 프로세스는 kthread_create() 함수를 호출해서 커널 내부에서 프로세스를 생성합니다. 커널 프로세스는 커널 스레드라고 부르며 커널 내부에서 스레드를 직접 관리합니다.

공통으로 리눅스에서 생성된 프로세스는 _do_fork() 함수를 호출합니다. 프로세스 생성하는 핵심함수는 _do_fork() 이니 이 함수를 중심으로 프로세스가 어떻게 생성되는지 알아봅시다.

_do_fork() 함수 소개

리눅스에서 구동 중인 모든 프로세스는 _do_fork() 함수가 실행할 때 생성됩니다. 프로세스는 누가 생성할까요? 리눅스 시스템에서 프로세스 생성을 전담하는 프로세스가 있습니다. 주인공은 init과 kthreadd 프로세스입니다.

유저 레벨 프로세스는 init 프로세스, 커널 레벨 프로세스(커널 스레드)는 kthreadd 프로세스가 생성하는 것입니다. 프로세스 생성 과정에 대해서 조금 더 정확히 말하면 프로세스는 생성이 아니라 복제된다고 설명할 수 있습니다.

프로세스를 생성할 때 여러 리소스(메모리 공간, 페이지 테이블, 가상 메모리 식별자)를 커널로부터 할당 받아야 합니다. 프로세스 동작에 필요한 리소스를 각각 할당 받으면 시간이 오래 걸리니 이미 생성된 프로세스에서 복제하는 것입니다.

리눅스 커널에서는 속도 개선을 위해 반복해서 실행하는 코드를 줄이려는 노력을 한 흔적을 볼 수 있습니다. 커널 메모리 할당자인 슬럽 메모리 할당자(Slub Memory Allocator)도 유사한 역할을 수행합니다. 드라이버에서 자주 메모리 할당 요청을 하는 쓰는 구조체를 정의해서 해당 구조체에 대한 메모리를 미리 확보해 놓습니다. 메모리 할당 요청 시 바로 이미 확보한 메모리를 할당하는 속도가 빠르기 때문입니다.

프로세스 생성 과정도 마찬가지입니다. 프로세스를 생성할 때 이미 생성된 프로세스에서 복제하는 것이 더 효율적입니다. 따라서 모든 프로세스는 부모와 자식 프로세스를 확인할 수 있습니다.

먼저 _do_fork() 함수 선언부를 보면서 이 함수에 전달되는 인자와 반환값을 확인합시다.

[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.14.70/source/kernel/fork.c#L2020]

extern long _do_fork(unsigned long, unsigned long, unsigned long, int __user *, int __user *, unsigned long);

long _do_fork(unsigned long clone_flags,

      unsigned long stack_start,

      unsigned long stack_size,

      int __user *parent_tidptr,

      int __user *child_tidptr,

      unsigned long tls);

먼저 반환값을 확인합시다.

함수 선언부와 같이 반환값 타입은 long이며 PID를 반환합니다. 프로세스 생성 시 에러가 발생하면 PTR_ERR() 매크로로 지정된 에러 값을 반환합니다.

_do_fork() 함수에 전달하는 인자값들을 점검합시다.

unsigned long clone_flags;

프로세스를 생성할 때 전달하는 매크로 옵션 정보를 저장합니다. 이 멤버에 다음 매크로를 저장합니다.

[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.14.70/source/include/uapi/linux/sched.h]

#define CSIGNAL 0x000000ff /* signal mask to be sent at exit */

#define CLONE_VM 0x00000100  

#define CLONE_FS 0x00000200  

#define CLONE_FILES 0x00000400  

#define CLONE_SIGHAND 0x00000800  

#define CLONE_PTRACE 0x00002000 

#define CLONE_VFORK 0x00004000 

#define CLONE_PARENT 0x00008000 

#define CLONE_THREAD 0x00010000

unsigned long stack_start;

보통 유저 영역에서 스레드를 생성할 때 복사하려는 스택 주소입니다. 이 스택 주소는 유저 공간에서 실행 중인 프로세스 스택 주소입니다.

unsigned long stack_size;

보통 유저 영역 실행 중인 스택 크기입니다. 보통 유저 영역에서 스레드를 생성할 때 복사합니다.

int __user *parent_tidptr;

int __user *child_tidptr;

부모와 자식 스레드 그룹을 관리하는 핸들 정보입니다.

커널에서 _do_fork() 함수를 언제 호출할까요? 생성하려는 프로세스 유형에 따라 함수 호출 흐름이 나뉩니다.

 1. 유저 모드에서 생성한 프로세스: sys_clone() 시스템 콜 함수 

 2. 커널 모드에서 생성한 커널 스레드: kernel_thread() 함수

프로세스는 유저 모드에서 생성된 프로세스와 커널 모드에서 생성된 프로세스로 분류할 수 있습니다. 각각 유저 레벨 프로세스와 커널 레벨 프로세스라고 부릅니다.

유저 레벨 프로세스 생성 시 _do_fork() 함수 흐름 

먼저 유저 레벨 프로세스는 어떻게 생성할까요? 저수준 리눅스 어플리케이션 프로그램으로 fork() 함수를 호출하면 리눅스에서 제공하는 라이브러리 도움을 받아 커널에게 프로세스 생성 요청을 합니다. 여기까지가 유저 모드에서 프로세스를 요청하는 단계입니다.

리눅스에서 제공하는 라이브러리는 시스템 콜을 발생하고 리눅스 커널에서는 fork() 함수에 대응하는 시스템 콜 핸들러인 sys_clone() 함수를 호출합니다.

먼저 sys_clone() 함수 코드를 봅시다.

 [https://elixir.bootlin.com/linux/v4.14.70/source/kernel/fork.c#L2020]

1 #ifdef __ARCH_WANT_SYS_CLONE

2 #ifdef CONFIG_CLONE_BACKWARDS

3 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,

4  int __user *, parent_tidptr,

5  unsigned long, tls,

6  int __user *, child_tidptr)

...

7 #endif

8 {

9 return _do_fork(clone_flags, newsp, 0, parent_tidptr, child_tidptr, tls);

10 }

11 #endif

아래와 같이 시스템 콜 함수를 정의하면, sys_clone() 이란 시스템 콜 래퍼 함수를 생성합니다.

3 SYSCALL_DEFINE5(clone, unsigned long, clone_flags, unsigned long, newsp,

sys_clone() 함수는 _do_fork() 함수를 그대로 호출합니다.

마찬가지로 sys_fork()와 sys_vfork() 이란 시스템 콜 함수를 확인해봅시다.

[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.14.70/source/kernel/fork.c#L2020]

1 SYSCALL_DEFINE0(fork)

2 {

3 #ifdef CONFIG_MMU

4 return _do_fork(SIGCHLD, 0, 0, NULL, NULL, 0);

5 #else

6 /* can not support in nommu mode */

7 return -EINVAL;

8 #endif

9 }

10

11 SYSCALL_DEFINE0(vfork)

12 {

13 return _do_fork(CLONE_VFORK | CLONE_VM | SIGCHLD, 0,

14 0, NULL, NULL, 0);

15 }

sys_fork()와 sys_vfork() 함수도 역시 _do_fork() 함수를 그대로 호출합니다. 

정리하면 유저 공간에서 생성한 프로세스는 sys_clone(), sys_fork() 그리고 sys_vfork() 시스템 콜 함수를 통해서 _do_fork() 함수를 호출합니다.

그런데 유저 공간(리눅스 시스템 프로그래밍)에서 fork() 이란 함수로 프로세스를 생성하면 시스템 콜 함수로 sys_clone() 를 호출합니다. 예전 리눅스 커널 버전에서는 fork()을 쓰면 sys_fork() 함수를 호출했으나 최근 리눅스 커널에서는 sys_clone() 함수를 실행합니다. vfork() 시스템 콜 함수도 fork() 시스템 콜을 개선하기 위해 이전 리눅스 커널 버전에서 썼던 레거시(과거) 코드입니다.

유저 레벨에서 생성한 프로세스와 스레드를 커널에서 동등하게 처리합니다. 그러니 sys_clone() 함수를 호출하는 것입니다.

정리하면 유저 공간에서 fork() 란 함수를 호출하면 시스템 콜이 실행해어 커널 공간에서 sys_clone() 함수를 호출합니다. 

커널 프로세스 생성 시 do_fork() 함수 흐름 

커널 공간에서 시스템 리소스(메모리, 전원) 관리를 수행하는 프로세스를 커널 스레드라고 합니다. 커널 스레드는 어떻게 생성할까요? 다음과 같이 kthread_create() 함수에 적절한 인자를 전달하면 됩니다.

커널 스레드를 생성하는 코드를 같이 봅시다. 

[https://elixir.bootlin.com/linux/v4.14.70/source/drivers/vhost/vhost.c#L334]

1 long vhost_dev_set_owner(struct vhost_dev *dev)

2 {

3 struct task_struct *worker;

4 int err;

...

5 /* No owner, become one */

6 dev->mm = get_task_mm(current);

7 worker = kthread_create(vhost_worker, dev, "vhost-%d", current->pid);

위 7번째 줄 코드에서 kthread_create() 함수를 실행하면 커널 스레드를 생성하는 것입니다. kthread_create() 이란 함수를 호출하면 커널 스레드 생성을 담당하는 kthreadd란 프로세스에게 커널 스레드 생성 요청을 합니다. 이후 kthreadd 스레드는 _do_fork() 함수를 실행해서 프로세스를 생성합니다. 

커널 스레드도 프로세스의 한 종류라 볼 수 있습니다.

대부분 커널 스레드는 시스템이 부팅할 때 생성하며 리눅스 커널이 커널 스레드가 필요할 때 동적으로 생성합니다. 예를 들어 리눅스 드라이버에서 많은 워크를 워크큐에 큐잉하면 커널 스레드의 종류인 워커 스레드를 더 생성해야 합니다. 시스템 메모리가 부족할 경우 메모리를 회수해서 가용 메모리를 확보하는 커널 스레드를 생성할 때도 있습니다. 보통 시스템이 더 많은 일을 해야 할 때 커널 스레드를 생성합니다.

프로세스 생성에 대한 소개를 했으니 다음에 라즈베리파이로 유저 공간에서 실행 중인 프로세스를 점검해봅시다.

#Reference

프로세스 소개

  | 프로세스란/ 태스크란/ 스레드란

프로세스 확인하기

프로세스는 어떻게 생성하나?

  | do_fork() 함수 소개

  | 유저 레벨 프로세스 생성 시 _do_fork() 함수 흐름