프로그램과 프로세스는 왜 다른 말인가

컴퓨터를 쓰다 보면 “프로그램을 실행한다”는 말과 “프로세스가 돈다”는 말을 섞어 쓰기 쉽지만, 리눅스(그리고 대부분의 운영체제)는 이 둘을 엄격히 구분한다. 구분하지 않으면 “같은 프로그램을 두 번 실행했을 때 왜 서로 다른 것처럼 동작하는가”를 설명할 수 없기 때문이다.

쉽게 말하면: 프로그램은 “요리 레시피”고, 프로세스는 “그 레시피를 보고 실제로 요리하고 있는 한 사람”이다.

프로그램(program) 은 디스크에 저장된, 아직 실행되지 않은 정적인 파일이다. 예를 들어 /usr/bin/firefox는 그 자체로는 그냥 디스크에 놓인 실행 파일 덩어리일 뿐, 실행되기 전까지는 CPU나 메모리를 전혀 쓰지 않는다. 레시피북에 적힌 레시피가 냉장고 속 재료를 실제로 소비하지 않는 것과 같다.

프로세스(process) 는 그 프로그램을 실행해서 메모리에 올라간, 살아 움직이는 작업 단위다. 사용자가 firefox 아이콘을 두 번 클릭하면, 운영체제는 디스크의 프로그램 파일을 읽어 메모리 공간을 할당하고, 그 안에 프로그램 코드를 올리고, CPU 시간을 배정해 실제로 명령어를 실행시키기 시작한다. 이 순간부터 그것은 더 이상 “프로그램”이 아니라 “프로세스”다. 같은 firefox를 창을 두 개 띄우면 프로그램 파일은 하나뿐이지만 프로세스는 각각 독립적으로 두 개(또는 그 이상) 생긴다. 각 프로세스는 서로 다른 메모리 공간을 갖고 서로 다른 상태(어떤 탭이 열려 있는지 등)를 유지하므로, 한쪽 창이 멈춰도 다른 쪽 창은 영향을 받지 않는 경우가 많다. 요리사 두 명이 같은 레시피를 보고 각자 자기 도마에서 따로 요리하는 것과 같다.

PID와 PPID, 부모자식 관계

리눅스 커널은 시스템에서 동시에 돌아가는 수많은 프로세스를 구별하기 위해, 프로세스가 생성될 때마다 고유한 번호를 하나씩 붙인다. 이 번호가 PID(Process Identifier, 프로세스 식별 번호) 다. PID는 시스템이 켜져 있는 동안 프로세스마다 겹치지 않는 정수이며, 프로세스가 종료되면 그 번호는 나중에 새로 생기는 다른 프로세스에게 재활용될 수 있다.

리눅스에서 새 프로세스는 마법처럼 허공에서 생기지 않는다. 반드시 이미 존재하는 어떤 프로세스가 자기 자신을 복제하는 방식으로 새 프로세스를 만들어 낸다. 이 복제 동작을 시스템 콜(system call, 프로그램이 커널에게 특정 작업을 요청하는 표준화된 창구) 이름을 따서 fork(포크) 라고 부른다. 이렇게 새로 만들어진 프로세스를 자식 프로세스(child process), 자식을 만들어 낸 원래 프로세스를 부모 프로세스(parent process) 라고 한다. 자식 프로세스는 자신을 만든 부모의 PID를 PPID(Parent Process ID, 부모 프로세스 식별 번호) 라는 값으로 기억해 둔다.

예를 들어 사용자가 bash 셸(PID 2000이라고 하자)에서 vi memo.txt라는 명령을 실행하면, bash는 fork로 자기 복제를 한 뒤 그 복제본이 vi 프로그램으로 자기 자신을 바꿔치기(exec라는 또 다른 시스템 콜)한다. 그 결과 새로 생긴 vi 프로세스(예: PID 2050)는 PPID로 2000을 갖게 되어, “나는 PID 2000인 bash가 낳은 자식이다”라는 관계가 기록된다.

이 부모-자식 관계를 계속 거슬러 올라가면 결국 시스템이 부팅될 때 커널이 가장 먼저 실행하는 단 하나의 프로세스에 도달한다. 이 최초의 프로세스는 항상 PID 1을 부여받으며, 오래된 시스템은 init이라는 이름을, 현재 대부분의 배포판은 systemd라는 이름을 쓴다(05편의 부팅 과정에서 다룬 내용과 이어진다). PID 1은 부모가 없는 유일한 프로세스이며, 다른 모든 프로세스는 fork를 반복해 가지를 뻗어 나간 이 트리(tree, 나무 모양 계층 구조)의 자손이다. pstree 명령을 실행하면 이 부모-자식 관계를 나무 모양 그림으로 바로 확인할 수 있다.

포그라운드와 백그라운드

셸에서 명령을 실행하는 방식에는 두 가지가 있다. 명령을 입력하고 그 명령이 끝날 때까지 셸이 다음 입력을 받지 않고 기다리는 방식이 포그라운드(foreground, 전경) 실행이다. 대부분의 명령을 그냥 입력하면 이 방식으로 동작한다. 예를 들어 cp big_file.iso /backup/처럼 시간이 걸리는 복사 명령을 그냥 실행하면, 복사가 끝날 때까지 프롬프트가 돌아오지 않고 다른 명령을 입력할 수 없다.

반면 명령 끝에 앰퍼샌드(&)를 붙여 실행하면, 셸은 그 명령을 뒤로 돌려보내고 곧바로 다음 명령을 입력할 수 있는 상태로 프롬프트를 돌려준다. 이렇게 실행되는 프로세스를 백그라운드(background, 배경) 실행이라 한다.

$ cp big_file.iso /backup/ &
[1] 3210
$ ls

위 예시에서 [1]은 셸이 관리하는 작업 번호(job number)이고, 3210은 그 백그라운드 프로세스의 PID다. 명령을 백그라운드로 돌려보낸 직후 곧바로 $ 프롬프트가 다시 나타나 ls를 실행할 수 있었다는 점에 주목하자. 포그라운드로 실행 중인 작업을 백그라운드로 돌리고 싶을 때는 먼저 [Ctrl] + [z]를 눌러 작업을 일시 정지시킨 뒤, bg 명령으로 정지된 작업을 백그라운드에서 계속 이어 실행하게 만든다. 반대로 백그라운드 작업을 다시 포그라운드로 끌어오려면 fg 명령을 쓴다. 이 명령들의 구체적인 사용법과 jobs 목록 읽는 법은 다음 14편에서 이어서 다룬다.

데몬 — 백그라운드에서 계속 사는 프로세스

일반적인 백그라운드 프로세스(예: 위에서 본 cp ... &)는 작업이 끝나면 스스로 종료된다. 하지만 시스템에는 사용자가 로그아웃한 뒤에도, 애초에 아무도 대화형으로 로그인하지 않아도 계속 떠 있어야 하는 프로세스들이 있다. 예를 들어 웹 서버는 사용자가 요청을 보낼 때마다 즉시 응답할 수 있도록 항상 대기하고 있어야 하고, 프린터 관리 서비스는 언제 인쇄 요청이 들어올지 모르니 계속 떠서 기다려야 한다.

이렇게 특정 서비스를 처리하기 위해 백그라운드에서 무기한 상주하며 대기하는 프로세스를 데몬(daemon) 이라고 부른다. 데몬은 보통 터미널(제어 터미널, controlling terminal — 사용자가 명령을 입력하고 결과를 보는 화면 연결)과의 연결을 스스로 끊어서, 그 터미널을 닫아도 함께 종료되지 않도록 설계된다. 관례적으로 데몬 프로그램의 이름 끝에는 d를 붙인다. 예를 들어 SSH 접속을 처리하는 데몬은 sshd, 크론 작업을 처리하는 데몬은 crond(또는 cron)다. 부모 프로세스는 대개 PID 1(systemd)이거나 systemd가 직접 관리하는 상위 프로세스이며, ps 출력에서 명령 이름이 대괄호로 감싸여 있거나([kthreadd]처럼 커널 스레드인 경우) 이름 끝의 d로 대략 구별할 수 있다.

좀비 프로세스와 고아 프로세스

프로세스의 생애 주기 중 마지막 단계에서 발생하는 두 가지 특이한 상태가 있다. 이름이 비슷하게 들릴 수 있지만 발생 원인이 정반대이므로 반드시 대조해서 기억해야 한다.

좀비 프로세스 — 자식이 죽었는데 부모가 뒤처리를 안 한 경우

프로세스가 실행을 마치고 종료되면, 그 프로세스가 사용하던 메모리나 파일 핸들 같은 자원은 대부분 커널이 즉시 회수한다. 하지만 딱 하나, “이 프로세스가 어떤 종료 코드(exit code, 정상 종료면 0, 비정상 종료면 다른 값)로 끝났는가”라는 정보는 곧바로 사라지지 않는다. 자식 프로세스가 왜, 어떻게 끝났는지를 부모 프로세스가 wait()이라는 시스템 콜로 물어봐서 회수해 가야 비로소 그 정보가 완전히 지워진다.

문제는 부모 프로세스가 이 wait() 호출을 하지 않고 방치하는 경우다. 자식은 이미 실행을 완전히 마쳐서 CPU도 메모리도 거의 쓰지 않지만, “종료 코드를 아직 아무도 가져가지 않았다”는 이유로 프로세스 목록(프로세스 테이블)에 껍데기만 남은 항목으로 계속 존재한다. 이 상태를 좀비 프로세스(zombie process) 라고 부른다. ps 명령으로 확인하면 상태(STAT) 열에 Z로 표시되고, 명령 이름 옆에 <defunct>(더 이상 기능하지 않는다는 뜻)라는 표시가 함께 나타난다.

좀비 프로세스는 실질적인 자원(CPU·메모리)을 거의 차지하지 않으므로 한두 개 있다고 시스템이 느려지지는 않는다. 하지만 PID라는 한정된 번호 자원 하나를 계속 붙잡고 있으므로, 부모 프로세스의 버그로 좀비가 대량으로 쌓이면 언젠가 시스템이 새 PID를 발급할 수 없는 지경까지 갈 수 있다. 좀비는 이미 죽은 프로세스이므로 kill 명령으로 다시 죽이는 것이 불가능하다. 해결 방법은 부모 프로세스가 정상적으로 wait()를 호출하도록 프로그램을 고치거나, 임시방편으로 그 부모 프로세스 자체를 종료시키는 것이다. 부모가 사라지면 좀비는 곧바로 설명할 “고아” 신세가 되어 PID 1(systemd 또는 init)에게 입양되고, PID 1은 주기적으로 자기 자식들의 종료 상태를 회수하도록 설계되어 있어 좀비가 곧 정리된다.

고아 프로세스 — 부모가 먼저 죽어 버린 경우

고아 프로세스(orphan process) 는 좀비와 정반대의 원인으로 생긴다. 자식 프로세스는 아직 멀쩡하게 실행 중인데, 오히려 그 자식을 낳은 부모 프로세스 쪽이 먼저 종료돼 버린 경우다. 예를 들어 어떤 프로그램이 작업을 백그라운드에 자식으로 띄워 놓은 채 자기 자신은 먼저 끝나 버리면, 그 자식은 갑자기 부모를 잃게 된다.

리눅스 커널은 이런 상황을 방치하지 않는다. 부모를 잃은 자식 프로세스는 즉시 PID 1(systemd 또는 init)의 양자로 자동 입양되어, PPID가 원래 부모의 PID에서 1로 바뀐다. 고아가 된 프로세스 자신은 실행을 계속하는 데 아무 지장이 없으며, 나중에 정상적으로 종료되면 새 부모가 된 PID 1이 그 종료 상태를 성실히 회수해 준다.

두 상태를 정면으로 비교하기

정리하면, 좀비는 “이미 끝난 자식의 뒤처리가 안 된 상태”이고 고아는 “아직 살아 있는 자식이 보호자를 잃은 상태”다. 시험에서는 이 둘을 뒤섞어 “고아 프로세스는 부모가 회수하지 않아 생긴다”거나 “좀비 프로세스는 부모를 잃어 즉시 종료된다”처럼 정의를 서로 바꿔치기한 오답 보기가 자주 등장한다. “죽은 쪽이 자식이면 좀비, 죽은 쪽이 부모면 고아”라는 축으로 기억해 두면 헷갈리지 않는다.

직접 해보기

지금 로그인한 셸도 결국 부모를 가진 프로세스라는 것을, PID와 PPID를 직접 찍어서 확인합니다.

ps -ef | head
echo $$
ps -p $$ -o pid,ppid,cmd

무엇을 보아야 하나: ps -ef의 PID·PPID 열에서 여러 줄의 PPID가 서로 겹치는지(같은 부모를 여러 자식이 공유하는지) 봅니다. echo $$(현재 셸 자신의 PID를 담고 있는 특수 변수)로 지금 셸의 번호를 확인한 뒤, 그 PID로 ps -p를 돌려 PPID가 무엇인지 봅니다.

왜 이걸 해보나: “모든 프로세스는 부모를 갖는다”를 문장으로만 외우면 시험장에서 예외(PID 1)를 놓치기 쉬운데, 내 셸의 PPID가 실제 숫자로 찍히는 걸 보면 부모-자식 관계가 추상적 개념이 아니라 커널이 관리하는 실제 값이라는 게 체감된다.

직접 해보기 2

포그라운드·백그라운드의 차이를 직접 만들어 봅니다.

sleep 300 &
jobs

무엇을 보아야 하나: sleep 300 &을 실행하자마자 프롬프트가 곧바로 돌아오는지(포그라운드였다면 300초를 기다려야 함), jobs 출력에 작업 번호와 상태(Running)가 뜨는지 확인합니다.

왜 이걸 해보나: &을 붙였을 때와 안 붙였을 때 프롬프트가 돌아오는 시점이 달라지는 걸 직접 겪어 봐야, “포그라운드는 셸이 끝날 때까지 기다린다”는 정의가 실감 난다.

자주 틀리는 점

• “프로그램을 두 개 실행한다”와 “프로세스가 두 개 생긴다”를 같은 말로 여기기 쉽지만, 프로그램은 디스크의 정적 파일 하나, 프로세스는 그것을 실행해 메모리에 올린 각각 독립된 실행 단위다.
• PID 1(init/systemd)이 예외적으로 부모가 없는 프로세스라는 점, 그리고 이 사실이 “모든 프로세스는 부모를 가진다”는 일반화에 대한 유일한 예외로 종종 출제된다.
• [Ctrl] + [z]를 프로세스 종료 단축키로 착각하는 경우가 많다. 이 조합은 정지(suspend)이지 종료가 아니다.
• 좀비와 고아의 정의를 서로 뒤바꿔 서술한 오답 보기에 특히 주의해야 한다. “누가 먼저 죽었는가”를 기준으로 구분한다.
• 좀비 프로세스를 kill -9로 종료할 수 있다고 착각하는 보기가 잘 나온다. 좀비는 이미 종료된 상태이므로 다시 죽일 대상 자체가 없다.

핵심 정리

• 프로그램은 디스크의 정적 파일, 프로세스는 그 프로그램이 메모리에 올라가 실행 중인 동적 단위다.
• 모든 프로세스는 fork로 생성되며 PID(자기 번호)와 PPID(부모 번호)를 갖는다. 최상위 조상은 PID 1(init/systemd)이다.
• 포그라운드는 셸이 명령 종료를 기다리는 실행, 백그라운드(&)는 셸이 곧바로 다음 명령을 받는 실행이다.
• 데몬은 특정 서비스를 위해 백그라운드에서 무기한 상주하는 프로세스다.
• 좀비는 자식이 먼저 죽었는데 부모가 회수하지 않은 상태, 고아는 부모가 먼저 죽어 자식이 PID 1에게 입양되는 상태다.

마무리 복습

참고 자료

• Linux man-pages 프로젝트 
• The Linux Documentation Project