Study · 운영체제 · 명령 실행 · 프로세스

셸은 명령을 실행하지 않는다 — 자기를 복제한 뒤 그 자리에 명령을 덮어쓴다

장면

ls 한 번에 프로세스가 몇 개 만들어질까? 셸은 왜 자기를 복제한 뒤에야 ls 를 띄울까?

$ ls -l
$ echo $$        # 셸의 PID
$ strace -f ls   # fork · exec 가 보인다

먼저 알아야 할 말

셸: 명령을 받아 실행해 주는 프로그램이다. 우분투 기본은 bash 이고, 터미널에서 보이는 $ 앞이 그것이다.
프로세스: 돌고 있는 프로그램 하나다. ps 가 줄마다 보여 주는 것이 프로세스이고, 각각 번호(PID)가 있다.
fork: 지금 프로세스를 그대로 복제해 하나 더 만드는 시스템 콜이다. 복제본은 부모와 거의 같지만 PID 가 다르다.
task_struct: 커널이 실행 흐름 하나를 나타내는 기록이다. 커널에게는 프로세스와 스레드가 둘 다 이것이고, 무엇을 공유하느냐만 다르다.
신호: 커널이 프로세스에게 보내는 짧은 알림이다. SIGKILL 은 「지금 죽어라」이고 프로세스가 거절할 수 없다. SIGSEGV 는 「잘못된 주소를 건드렸다」다. 터미널에서 Ctrl+C 를 누르는 것도 신호 하나를 보내는 일이다.
메모리: 전원이 꺼지면 사라지는 대신 아주 빠른 저장 공간이다. 프로그램이 도는 동안 쓰는 값은 전부 여기 있다.
페이지: 메모리를 나누는 기본 단위다. 보통 4KB 이고, 커널은 메모리를 이 덩어리 단위로 다룬다.
페이지 표: 가상 주소가 실제 메모리의 어디인지 적어 둔 표다. CPU 는 주소를 만질 때마다 이 표를 본다. 이 표의 자리가 비어 있으면 페이지 폴트가 난다.
exec: 프로세스의 알맹이를 다른 프로그램으로 덮어쓰는 시스템 콜이다. 껍데기(PID)는 그대로이고 안에서 도는 것만 바뀐다.
구조체: 값 여러 개를 한 덩어리로 묶어 둔 것이다. C 에는 클래스가 없어서 이렇게 쓴다 — 메서드 없이 필드만 있는 자바 클래스라고 보면 된다. C 에서 a->b 는 자바의 a.b 와 같다(안에 든 것을 꺼낸다).
PID: 프로세스마다 붙는 번호다. ps 가 줄마다 보여 주는 첫 칸이고, 셸에서 echo $$ 로 자기 번호를 볼 수 있다.
레지스터: CPU 안에 있는 아주 작고 빠른 저장 칸이다. 지금 계산 중인 값과 「다음에 실행할 줄이 어디인지」가 여기 들어 있다.
strace: 프로그램이 커널에 무슨 부탁을 하는지 옆에서 받아 적어 주는 명령이다.
셸 스크립트: 터미널에 한 줄씩 치는 명령어들을 파일 하나에 모아서 순서대로 실행하게 만든 것이다. bash는 명령어를 입력받아 실행해 주는 프로그램(셸) 중 널리 쓰이는 것이고, 셸 스크립트는 그 bash가 한 줄씩 읽어서 실행하는 파일이다. 매번 손으로 치는 대신 파일 하나를 실행해서 같은 명령어 묶음을 반복한다.
커널: 컴퓨터가 켜져 있는 동안 늘 돌고 있는 프로그램 하나다. 파일을 만들고 지우는 일, 프로그램을 띄우는 일은 내 프로그램이 직접 못 하고 전부 커널에 부탁한다. 터미널에 친 명령이 실제로 무언가를 하는 순간은 늘 커널 안이다.
터미널: 글자로 명령을 입력하고 결과를 글자로 보는 창이다. 그 안에서 PowerShell 같은 셸이 돌고, Claude Code 도 터미널 안에서 돈다.
CPU: 명령을 실제로 실행하는 부품이다. x86(대부분의 PC) · ARM(휴대폰, 요즘 Mac)처럼 종류마다 알아듣는 명령이 다르다.
파일 디스크립터: 프로세스가 무언가를 열고 받는 번호표다. 프로세스마다 따로 있는 표의 몇 번째 칸인지를 뜻한다 — ls -l /proc/self/fd 로 그 표가 보인다. 파일만의 것이 아니다. 소켓도 파이프도 같은 표에 걸리고, 그래서 read · write 가 셋 모두에 똑같이 통한다.
디스크: 전원을 꺼도 내용이 남는 저장 장치다. 대신 메모리보다 훨씬 느리다.
사용자 공간: 커널이 아닌 쪽이다. 내가 실행하는 프로그램은 전부 여기 있고, 여기서는 디스크나 메모리를 직접 못 만진다. 무언가 하려면 시스템 콜로 커널에 부탁해야 한다.
종료 코드: 프로그램이 끝나면서 남기는 숫자 하나다. 0 이면 잘 끝난 것이고, 셸에서 echo $? 로 읽는다.

아래 재생기의 ▶를 누르면 한 스텝씩 진행된다. 금색 테두리가 지금 이야기하는 곳이고, 캡션이 무슨 일이 일어났는지 말해 준다. 굵게 밑줄 친 말은 누르면 뜻이 나온다. 빨간 딱지는 그때 벌어지는 일의 이름이고, 캡션 바로 위 회색 글자는 지금 스텝이 속한 묶음의 이름이다.

카드 아래 회색 줄은 그 일이 실제로 적혀 있는 소스의 파일 이름 : 줄 번호와 함수 이름이다. 글 안에 (:669)처럼 줄 번호만 적힌 것은 바로 앞에 적은 파일의 그 줄이라는 뜻이다. 캡션 한가운데 박힌 긴 영어 이름과 괄호 속 파일 · 줄 번호도 같다 — 건너뛰고 한글만 읽어도 뜻이 통하게 써 두었다.

장면 · 셸은 명령을 실행하지 않는다 — 자기를 복제한 뒤 그 자리에 명령을 덮어쓴다 0 / 11

▶ 를 누르면 ls -l 한 번에 무슨 일이 벌어지는지 따라간다. 셸이 ls 를 그냥 「실행」하는 걸음은 없다. 셸은 자기를 똑같이 한 벌 복제하고, 그 복제본이 스스로를 ls 로 덮어쓴다. 그래서 새로 생기는 프로세스는 하나뿐이다.

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셸은 명령을 실행하지 않는다. 자기를 똑같이 복제하고, 그 복제본이 자기를 명령으로 덮어쓴다. 그동안 셸은 잠들어 기다린다.

어떻게 확인했나

소스 어디를 보고 적었는지와 무엇을 돌려서 쟀는지를 남긴 자리다. 처음 읽을 때는 건너뛰어도 된다.

kernel_clone(kernel/fork.c:2715) → copy_process(:2012) 가 dup_task_struct(:2133) 로 task_struct 를 통째로 베낀 뒤, copy_files(:1660) · copy_fs · copy_mm(:1568) 이 차례로 돈다. 셋 다 CLONE_FILES · CLONE_VM 플래그가 켜져 있으면 부모 것을 공유하고 꺼져 있으면 새 벌을 뜬다. fork(:2850) 는 exit_signal = SIGCHLD 만 넣고 공유 플래그를 하나도 켜지 않는다.
fork 는 메모리를 복사하지 않는다. dup_mmap(mm/mmap.c:1708) → copy_page_range(mm/memory.c:1589) 가 페이지 표를 옮기면서 __copy_present_ptes(mm/memory.c:1190) 에서 부모 · 자식 양쪽의 쓰기 비트를 뗀다.
exec 가 메모리 지도를 갈아 끼우는 자리는 exec_mmap(fs/exec.c:843) 이다. tsk->mm 에 새 주소 공간을 꽂고 옛 것을 놓는다. 그 앞 begin_new_exec(fs/exec.c:1135) 이 bprm->point_of_no_return = true(:1160) 를 놓아, 이 뒤의 실패는 되돌리지 않고 SIGSEGV 로 끝낸다.
exec 는 프로세스를 만들지 않는다. PID 는 alloc_pid(kernel/fork.c:2326) 가 fork 때 준 것 그대로이고, ELF 로더는 START_THREAD(fs/binfmt_elf.c:1376) 로 레지스터만 새 진입점에 맞춘다.
셸이 기다리는 자리는 do_wait(kernel/exit.c:1747) 다. TASK_INTERRUPTIBLE 로 바꾸고 schedule() 을 부른다. 끝난 자식은 exit_notify(kernel/exit.c:774) 에서 EXIT_ZOMBIE(:786) 가 되어 부모가 거둘 때까지 남는다.
strace -f 로 bash -c 'ls -l' 을 잡으니 clone 이 한 번(109 → 110)이고, 부모는 wait4 로 기다리고, 자식이 execve("/usr/bin/ls") 를 부른다. 새로 생기는 프로세스는 하나뿐이다.

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