Day 2 - 데몬과 프로세스 생애: fork·exec부터 좀비·고아까지

데몬이란 무엇인가

• 데몬(daemon) : 사용자와 직접 대화하지 않고 백그라운드에서 특정 서비스를 제공하는 프로세스.
• 대표 예: 웹 서버(httpd), SSH 접속(sshd), 예약 작업(crond), 메일(postfix).
• 이름 끝에 'd'가 붙는 관례가 있어 sshd·httpd·crond처럼 d로 끝나면 십중팔구 데몬이다.
• 데몬의 특징은 다음과 같다.

• 데몬이 서비스를 제공하는 방식은 크게 두 가지다.

standalone 방식은 응답이 빠르지만 항상 메모리를 차지한다. super-daemon(xinetd) 방식은 평소 메모리를 아끼지만 요청마다 새로 띄우느라 응답이 느리다. 자주 쓰는 서비스는 standalone, 가끔 쓰는 서비스는 super-daemon이 유리하다는 트레이드오프가 시험에 나온다.

'daemon'은 그리스 신화의 "보이지 않게 일을 돕는 정령"에서 따왔다. MIT의 Project MAC에서 백그라운드 보조 프로세스를 이렇게 부른 것이 시초다. 악마(demon)와 철자가 다르며, 사용자 눈에 안 보이게 묵묵히 일한다는 뜻을 담았다.

포그라운드와 백그라운드

• 포그라운드(foreground) : 명령을 그냥 실행한 상태. 셸이 명령이 끝날 때까지 기다리므로 다른 명령을 칠 수 없다.
• 백그라운드(background) : 명령 끝에 &를 붙인 상태. 셸이 바로 프롬프트를 돌려주므로 계속 작업할 수 있다.

sleep 100          # 포그라운드: 100초 동안 프롬프트가 멈춤
sleep 100 &        # 백그라운드: 즉시 프롬프트 복귀, [1] 12345 출력

• 실행 중인 작업(job)을 포그라운드와 백그라운드 사이에서 옮기는 명령들이 핵심이다.

sleep 200            # 실행 중...
# (Ctrl+Z 입력) → [1]+ Stopped  sleep 200
jobs                 # [1]+ Stopped sleep 200
bg %1                # 백그라운드로 재개 → [1]+ sleep 200 &
fg %1                # 다시 포그라운드로
nohup ./long.sh &    # 로그아웃해도 계속, 출력은 nohup.out에 저장

⚠️ 함정: Ctrl+Z는 종료가 아니라 일시 정지(SIGSTOP, 상태 T)다. 종료는 Ctrl+C(SIGINT)다. 정지된 작업은 bg/fg로 되살려야 하며, 그냥 두고 셸을 닫으면 사라질 수 있다. 또한 &만으로는 셸 종료 시 SIGHUP을 받아 죽을 수 있으므로, 로그아웃 후에도 살리려면 nohup을 함께 써야 한다.

직접 쳐보기: sleep 300을 실행하고 Ctrl+Z로 멈춘 뒤 jobs로 상태가 Stopped인지 본다. bg %1로 재개하면 Running으로 바뀐다. fg %1로 다시 가져와 Ctrl+C로 종료하면 완전히 사라진다. 작업 제어의 한 사이클이다.

fork와 exec — 프로세스 탄생의 원리

• 리눅스에서 새 프로그램을 실행하는 과정은 fork → exec 두 단계다. 유닉스 설계의 핵심 모델.

1. fork(): 부모가 자기 자신을 거의 똑같이 복제한다. 새 PID의 자식이 생기고, 자식의 PPID는 부모의 PID가 된다. 복제 직후에는 부모와 자식이 같은 코드를 실행한다.
2. exec(): 복제된 자식이 자신의 메모리 내용을 다른 프로그램으로 통째로 교체한다. PID는 유지되지만 실행되는 프로그램은 완전히 바뀐다.

[셸 프로세스] --fork()--> [자식(셸 복제본)] --exec("/bin/ls")--> [ls 프로세스]
   PID 1000                  PID 1500              PID 1500(유지)
                             PPID 1000             PPID 1000

• 예: 셸에서 ls를 치면 셸이 자신을 fork해 자식을 만들고, 그 자식이 exec로 ls가 된 뒤 실행을 마치면 종료된다.
• 부모 셸은 wait()로 자식이 끝나길 기다렸다가 프롬프트를 돌려준다.

exec는 새 프로세스를 만들지 않는다. 현재 프로세스의 껍데기(PID)는 그대로 두고 알맹이(실행 코드)만 갈아끼운다. 그래서 exec ls를 셸에서 직접 치면 셸 자신이 ls로 변신해 버려, ls가 끝나면 셸도 함께 종료된다. fork(복제)와 exec(교체)를 분리한 것이 유닉스의 우아함이다.

fork-exec 분리 덕분에 셸은 자식을 fork한 직후, exec 전에 입출력 리다이렉션(>, <)이나 파이프(|)를 설정할 수 있다. 만약 "복제와 교체"가 한 번에 묶여 있었다면 이런 유연한 입출력 재배치가 불가능했을 것이다. 이 설계가 유닉스 파이프라인 철학의 토대다.

좀비 프로세스 — 회수되지 않은 시체

• 자식이 exit()로 종료하면 커널은 그 종료 코드를 부모가 가져갈 수 있도록 잠시 보관한다.
• 부모가 wait()를 호출해 종료 코드를 거두면 자식의 흔적이 완전히 사라진다.
• 부모가 wait()를 하지 않으면 자식은 이미 죽었는데 종료 코드만 남아 프로세스 테이블에 흔적이 남는다 → 이것이 좀비(zombie, defunct) 프로세스.

ps aux | grep -w Z         # 좀비 상태 프로세스 찾기
ps -ef | grep defunct      # defunct로 표시된 좀비 확인

• 좀비는 이미 죽은 상태라 kill -9로 죽일 수 없다(이미 죽어 있으니까).
• 없애려면 그 부모 프로세스를 종료하거나 재시작한다.
• 부모가 사라지면 좀비는 PID 1번(systemd/init)에 입양되고, 1번이 즉시 wait()로 회수해 정리한다.

⚠️ 함정: 좀비 프로세스는 메모리를 거의 안 쓰지만 PID 슬롯을 점유한다. 잘못 만든 프로그램이 좀비를 계속 양산하면 PID가 고갈되어 새 프로세스를 못 만드는 사태가 온다. 좀비를 kill -9 좀비PID로 죽이려는 시도는 무의미하다 — 표적은 부모다.

고아 프로세스 — 부모를 잃은 자식

• 고아(orphan) 프로세스는 좀비와 정반대 상황이다. 자식이 아직 살아 일하는데 부모가 먼저 종료해 버린 경우.
• 뒤집어 외우면 안 헷갈린다: 좀비는 "자식은 죽었는데 부모가 안 거둠", 고아는 "부모가 죽었는데 자식은 살아 있음".
• 부모를 잃은 고아는 즉시 PID 1번(systemd/init)에 입양되고 PPID가 1번으로 바뀐다.
• 1번이 부모 역할을 대신하므로, 고아가 나중에 종료하면 wait()로 깔끔히 회수된다 → 시스템에 해롭지 않다.

핵심 대비표 한 줄 — 좀비는 죽은 자식 + 안 거두는 부모(위험), 고아는 산 자식 + 죽은 부모(무해, 1번이 입양). 이 둘을 뒤바꾼 보기가 함정으로 쓰인다. "Z 상태 = 좀비, defunct 표시"도 함께 외운다.

직접 쳐보기: ps -ef를 실행해 PPID(세 번째 컬럼)가 1인 프로세스들을 살펴본다. 부팅 시 시작된 데몬들과 입양된 고아들이 모두 1번을 부모로 가진다. 1번이 어떻게 모든 미아의 보호자 역할을 하는지 실제 목록으로 확인할 수 있다.

고아 입양 메커니즘이 없다면, 백그라운드로 실행한 nohup ./job & 같은 프로세스는 셸(부모)이 종료되는 순간 회수자 없는 상태가 되어 결국 좀비가 될 것이다. 1번 프로세스의 입양 덕분에 우리는 로그아웃 후에도 백그라운드 작업을 안심하고 돌릴 수 있다.

📖 용어

• 데몬(daemon) : 터미널에 묶이지 않고 백그라운드에 상주하며 서비스를 제공하는 프로세스. 이름이 보통 'd'로 끝난다.
• standalone 방식 : 데몬이 항상 떠 있다가 요청을 직접 처리. 빠르지만 늘 메모리를 먹는다(httpd, sshd).
• super-daemon(xinetd) : 평소엔 대기하다 요청이 오면 자식 데몬을 띄우는 방식. 메모리는 아끼지만 응답이 느리다.
• 포그라운드 / 백그라운드 : 셸이 끝날 때까지 기다리는 실행 / &를 붙여 뒤로 보내고 프롬프트를 돌려받는 실행.
• job(작업) : 셸이 관리하는 실행 단위. jobs로 목록을, %1 같은 작업 번호로 지정한다.
• nohup : "no hang up". SIGHUP을 무시하게 만들어 로그아웃 후에도 프로세스를 살려두는 명령. 출력은 nohup.out으로 간다.
• fork() : 자기 자신을 복제해 새 PID의 자식을 만드는 시스템 콜.
• exec() : 새 프로세스를 만들지 않고, 현재 프로세스의 실행 코드만 다른 프로그램으로 갈아끼우는 시스템 콜. PID는 그대로다.
• wait() : 부모가 자식의 종료 코드를 거둬 흔적을 지우는 시스템 콜. 이걸 안 하면 좀비가 생긴다.
• 좀비(defunct) : 자식은 죽었는데 부모가 회수하지 않아 Z 상태로 PID 슬롯만 차지하고 있는 프로세스.
• 고아(orphan) : 부모가 먼저 죽어 PID 1번에 입양된, 아직 살아 있는 자식 프로세스.