[C언어] 프로세스 Sleep개념과 관련 시스템 콜(System call)

프로세스와 Sleep 개념

프로세스가 시간이 걸리는 특정 연산(IO, Network)을 수행해야 할 때, 프로세스는 할 일이 없으므로 무한정 대기 상태에 빠진다. 이를 방지하기 위해 운영체제는 I/O 요청을 보낸 후 해당 프로세스를 sleep 상태로 전환하고, 다른 프로세스가 CPU를 사용할 수 있도록 한다. 이후 커널이 해당 프로세스를 다시 깨우면 실행이 재개된다. 이는 운영체제의 스케줄링 기법 중 하나이다.

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Low Resolution Sleeping (저해상도, 초단위 sleep)

sleep() 함수

unsigned int sleep(unsigned int seconds);

동작 방식

• seconds 만큼 프로세스를 sleep 시킨다.
• 성공하면 0을 반환한다.
• 신호(Signal) 등의 이유로 sleep이 조기에 종료될 경우, 남은 시간을 반환한다.

의도한 시간만큼 정확하게 sleep을 보장하는 방법

unsigned int s = 3;
while ((s = sleep(s)))
    ;

시스템 Clock별 Sleeping 시간 비교 예제

#define BILLION 1000000000L

int main(int argc, char *argv[]) {
    struct timespec start, end;
    uint64_t diff;
    clockid_t clk_id;
    clockid_t clocks[] = {
        CLOCK_REALTIME,
        CLOCK_MONOTONIC,
        CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID,
        CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID
    };

    clk_id = clocks[atoi(argv[1]) % 4];

    clock_gettime(clk_id, &start);
    sleep(3);
    clock_gettime(clk_id, &end);

    diff = BILLION * (end.tv_sec - start.tv_sec) + end.tv_nsec - start.tv_nsec;
    printf("Time taken: %llu nanoseconds\n", (unsigned long long)diff);
    return 0;
}

 

실행 결과

• CLOCK_REALTIME과 CLOCK_MONOTONIC은 약 3초 정도 소요됨.
• CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID와 CLOCK_THREAD_CPUTIME_ID는 프로세스 실행 시간만을 측정하므로 sleep 시간이 제외됨.

차례대로 real, monotonic, process, thread time으로 측정한 결과이다.
real, monotonic은 예상대로 3초에서 살짝 더 시간 걸린것을 확인할수 있다(컨텍스트 스위칭 시간)
process, thread time은 커널 코드가 아닌 프로세스의 유저 코드의 시간(실제로 동작할 시간)이므로 3초가 제외된 순수 코드 프로세싱한 나노초가 나왔다.

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High Resolution Sleeping (고해상도, 나노초, 마이크로초 단위 sleep)

nanosleep() 함수

int nanosleep(const struct timespec *req, struct timespec *rem);

동작 방식

• req에 지정된 시간 동안 프로세스를 sleep 상태로 만든다.
• 신호 등으로 중단될 경우 rem에 남은 시간을 저장한다.
• 성공하면 0, 실패하면 -1 반환.

clock_nanosleep() 함수 (클럭 지정 가능)

int clock_nanosleep(clockid_t clock_id, int flags, const struct timespec *req, struct timespec *rem);

주요 특징

• clock_id를 지정하여 원하는 클럭을 사용할 수 있음.
• flags에 TIMER_ABSTIME을 설정하면 절대 시간 기준으로 sleep 가능.

시그널을 이용하여 깨우는 예제

#define BILLION 1000000000L

void my_handler(int sig) {
    write(1, "woke up!\n", 10);
}

int main() {
    struct timespec start, end, req, rem;
    uint64_t diff;
    int rv;

    signal(SIGUSR1, my_handler);

    req.tv_sec = 5;
    req.tv_nsec = 500000000;

    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &start);
    rv = clock_nanosleep(CLOCK_MONOTONIC, 0, &req, &rem);
    clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &end);

    diff = BILLION * (end.tv_sec - start.tv_sec) + end.tv_nsec - start.tv_nsec;
    printf("Time taken: %llu nanoseconds\n", (unsigned long long)diff);

    if (rv) {
        printf("remaining time = %ld s, %ld ns\n", rem.tv_sec, rem.tv_nsec);
    }
    return 0;
}

select()를 이용한 마이크로초 단위 sleep

int main() {
    struct timeval start, end, timeout;
    uint64_t diff;
    int rv;

    timeout.tv_sec = 5;
    timeout.tv_usec = 500000;

    gettimeofday(&start, NULL);
    rv = select(0, NULL, NULL, NULL, &timeout);
    gettimeofday(&end, NULL);

    diff = 1000000 * (end.tv_sec - start.tv_sec) + end.tv_usec - start.tv_usec;
    printf("Time = %llu us\n", (unsigned long long)diff);
    return 0;
}

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Overruns (Sleep 시간 초과 현상)

운영체제는 요청된 시간 이상을 sleep하도록 보장한다. 즉, 요청된 시간보다 더 오래 sleep하는 경우가 발생할 수 있다.

Sleep 시간이 초과되는 주요 원인

1. Timer Granularity (타이머 해상도)
   • 타이머의 간격보다 요청된 시간이 더 짧으면, 원하는 시간 정확도로 타이머를 작동시킬 수 없음.
2. Delayed Scheduling (지연된 스케줄링)
   • 프로세스가 sleep에서 깨어났더라도, CPU가 다른 작업을 수행 중이면 즉시 실행되지 않을 수 있음.

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결론

• sleep()은 초 단위의 저해상도 sleep을 제공하며, 신호에 의해 조기 종료될 수 있다.
• nanosleep()과 clock_nanosleep()은 나노초 단위의 고해상도 sleep을 제공하며, 특정 클럭을 지정할 수 있다.
• select()를 이용하면 마이크로초 단위 sleep도 가능하다.
• 운영체제의 타이머 해상도와 스케줄링 정책에 따라 정확한 sleep 보장이 어려울 수 있음을 고려해야 한다.