커널 오브젝트와 핸들

Windows 운영체제는 프로세스, 쓰레드, 파일과 같은 리소스 (Resource) 들을

관리하기 위해 필요한 정보를 커널 오브젝트에 저장한다

 

커널

• 운영체제의 핵심이 되는 소프트웨어
• 운영체제의 가장 아래 계층
• 일반적으로 커널과 운영체제를 같은 의미로 사용

 

리소스

• 프로세스
• 쓰레드
• 파이프 또는 메일슬롯
• 파일
• 등등

 

커널 오브젝트

• 커널에서 관리하는 중요한 정보를 저장하는 데이터 블록 (구조체)
• 리소스가 생성될 때마다 커널 오브젝트 구조체 생성
• 리소스의 정보를 구조체에 저장, 참조 및 변경 가능

 

커널 오브젝트의 구조

• 커널 오브젝트의 종류에 따라 서로 다른 구조체 기반으로 생성

 

프로세스 커널 오브젝트

• 프로세스는 운영체제가 관리 (생성, 소멸, 상태 변화, 우선순위 변화 등)
• CreateProcess 함수 호출 시 Windows 는 요구에 맞는 프로세스를 생성
• 프로세스를 관리하기 위해 프로세스 상태, 우선순의 등의 정보를 저장

 

다른 커널 오브젝트

• 쓰레드 커널 오브젝트
• 파이프 또는 메일슬롯 커널 오브젝트
• 파일 커널 오브젝트
• 등등

 

커널 오브젝트의 조작

• 프로그래머는 커널 오브젝트를 직접 조작할 수 없다
• 시스템 함수를 이용해 간접적으로 커널 오브젝트를 조작할 수 있다

 

핸들 (HANDLE)

typedef void * HANDLE;

• 커널 오브젝트에 할당되는 숫자
• Windows 는 커널 오브젝트를 생성할 때마다 핸들을 부여
• 핸들을 통해 커널 오브젝트에 접근 가능

 

리소스	커널 오브젝트	핸들
프로세스	프로세스 커널 오브젝트	프로세스 커널 오브젝트 핸들
쓰레드	쓰레드 커널 오브젝트	쓰레드 커널 오브젝트 핸들
...	...	...

 

핸들을 얻는 방법

• 커널 오브젝트의 종류에 따라 다양

 

GetCurrentProcess 함수

HANDLE GetCurrentProcess();

• 현재 프로세스의 핸들 반환

 

SetPriorityClass 함수

BOOL SetPriorityClass(
  [in] HANDLE hProcess,
  [in] DWORD  dwPriorityClass
);

• 프로세스의 우선순위를 변경
• hProcess : 프로세스에 대한 핸들
• dwPriorityClass : 프로세스의 우선 순위 클래스

 

자식 프로세스

// High Priority Child Process

#include <windows.h>
#include <tchar.h>
#include <stdio.h>

int _tmain(void)
{
	SetPriorityClass(GetCurrentProcess(), HIGH_PRIORITY_CLASS);

	while (1)
	{
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			for (int j = 0; j < 10000; j++)
				;
		}

		_tprintf(_T("Child\n"));
	}

	return 0;
}

• SetPriorityClass 함수를 통해 프로세스의 우선순위를 HIGH_PRIORITY_CLASS 로 변경
  • 일반적인 프로세스에 비해 높은 우선순위
• Child 반복 출력
  • for 문을 통해 출력 속도 감소

 

부모 프로세스

// Normal Priority Parent Process

#include <windows.h>
#include <tchar.h>
#include <stdio.h>

int _tmain(void)
{
	STARTUPINFO si;
	PROCESS_INFORMATION pi;

	SecureZeroMemory(&si, sizeof(si));
	SecureZeroMemory(&pi, sizeof(pi));

	si.cb = sizeof(si);

	TCHAR commandLine[] = _T("HighPriorityChildProcess.exe");

	if (!CreateProcess(NULL, commandLine, NULL, NULL, FALSE, 0, NULL, NULL, &si, &pi))
	{
		_tprintf(_T("CreateProcess failed (%d).\n"), GetLastError());
		return -1;
	}

	while (1)
	{
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			for (int j = 0; j < 10000; j++)
				;
		}

		_tprintf(_T("Parent\n"));
	}

	CloseHandle(pi.hProcess);
	CloseHandle(pi.hThread);

	return 0;
}

• High Priority Child Process 실행
• Parent 반복 출력
  • for 문을 통해 출력 속도 감소

 

컴파일러 최적화

• 비주얼 스튜디오의 프로젝트 속성 - C/C++ - 최적화에서 최적화를 비활성화
• 출력 속도를 늦추기 위해 for 문을 사용
  • Busy Waiting 상태로, 프로세스가 Blocked 상태가 되지 않는다
  • CPU 는 for 문에 해당하는 코드를 수행한다
• 컴파일러 최적화를 활성화하는 경우
  • for 문에 대한 코드 생성이 되지 않는다

 

실행 결과

• 자식 프로세스는 부모 프로세스보다 높은 우선순위
  • 따라서 부모 프로세스보다 더 많이 실행된다
  • 멀티 코어 시스템이므로 부모 또한 실행된다

 

싱글 코어 시스템에서는 부모 프로세스의 출력이 나뉘어 처리될 수 있다

...
Child
paChild
Childr
entChild
...

• 출력 함수 호출이 완료되기 이전에 다른 프로세스에게 CPU 할당 시간을 넘겨주기 때문
• 함수가 호출되어 실행되는 도중에도 CPU 의 할당 시간을 다른 프로세스에게 넘겨줄 수도 있다

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커널 오브젝트의 종속 관계

• 커널 오브젝트는 Windows 운영체제에 종속적
• 커널 오브젝트의 소멸은 운영체제가 관리
• 하나의 커널 오브젝트에 여러 프로세스가 접근 가능

 

핸들의 종속 관계

• 핸들은 프로세스에 종속적
• 핸들의 소멸은 프로세스가 관리
• 같은 커널 오브젝트라도 프로세스마다 핸들이 다를 수 있다

 

부모 프로세스에서 자식 프로세스의 우선순위 변경

// Normal Priority Parent Process

#include <windows.h>
#include <tchar.h>
#include <stdio.h>

int _tmain(void)
{
	STARTUPINFO si;
	PROCESS_INFORMATION pi;

	SecureZeroMemory(&si, sizeof(si));
	SecureZeroMemory(&pi, sizeof(pi));

	si.cb = sizeof(si);

	TCHAR commandLine[] = _T("HighPriorityChildProcess.exe");

	if (!CreateProcess(NULL, commandLine, NULL, NULL, FALSE, 0, NULL, NULL, &si, &pi))
	{
		_tprintf(_T("CreateProcess failed (%d).\n"), GetLastError());
		return -1;
	}

	DWORD count = 0;

	while (1)
	{
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
		{
			for (int j = 0; j < 10000; j++)
				;
		}

		_tprintf(_T("Parent\n"));

		count += 1;

		if (count == 16)
			SetPriorityClass(pi.hProcess, NORMAL_PRIORITY_CLASS);
	}

	CloseHandle(pi.hProcess);
	CloseHandle(pi.hThread);

	return 0;
}

• 프로세스 생성 시 전달한 PROCESS_INFORMATION 구조체
  • 멤버 변수 hProcess 에 자식 프로세스의 커널 오브젝트 핸들이 저장된다
• 부모 프로세스는 핸들을 통해 자식 프로세스의 커널 오브젝트에 접근 가능
  • 하나의 커널 오브젝트에 여러 프로세스가 접근 가능
• 일정 시간 뒤 자식 프로세스의 우선순위를 NORMAL_PRIORITY_CLASS 로 변경

 

실행 결과

• 초기에는 자식 프로세스가 더 많이 실행된다
• 일정 시간 이후 자식 프로세스의 우선순위가 감소한다
• 부모 프로세스와 자식 프로세스가 비슷한 비율로 실행된다

 

PROCESS_INFORMATION 구조체

• 운영체제는 프로세스 생성 시 구분을 위한 ID 를 할당한다
  
  • ID 와 핸들을 통해 프로세스와 프로세스 커널 오브젝트에 각각 접근 가능하다

 

쓰레드

• 운영체제는 프로세스 생성 시 main 함수를 실행하는 쓰레드를 내부적으로 생성
  • ID 와 핸들을 통해 쓰레드와 쓰레드 커널 오브젝트에 각각 접근 가능하다

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Usage Count

• 커널 오브젝트를 참조하는 핸들의 수
• 커널 오브젝트의 멤버로 존재
• 커널 오브젝트의 Usage Count 가 0인 경우 Windows 는 커널 오브젝트를 소멸

 

CloseHandle 함수

BOOL CloseHandle(
  [in] HANDLE hObject
);

• 커널 오브젝트에 대한 핸들을 소멸시키고 커널 오브젝트의 Usage Count 를 감소시킨다
• 핸들이 소멸되어도 커널 오브젝트는 소멸되지 않을 수 있다
• 리소스가 소멸되어도 커널 오브젝트는 소멸되지 않을 수 있다

 

부모 프로세스에서 자식 프로세스의 핸들 소멸

// Close Handle Parent Process

#include <windows.h>
#include <tchar.h>
#include <stdio.h>

int _tmain(void)
{
	STARTUPINFO si;
	PROCESS_INFORMATION pi;

	SecureZeroMemory(&si, sizeof(si));
	SecureZeroMemory(&pi, sizeof(pi));

	si.cb = sizeof(si);

	TCHAR commandLine[] = _T("HighPriorityChildProcess.exe");

	if (!CreateProcess(NULL, commandLine, NULL, NULL, FALSE, 0, NULL, NULL, &si, &pi))
	{
		_tprintf(_T("CreateProcess failed (%d).\n"), GetLastError());
		return -1;
	}

	SetPriorityClass(pi.hProcess, NORMAL_PRIORITY_CLASS);

	for (int i = 0; i < 10000; i++)
	{
		for (int j = 0; j < 10000; j++)
			;
	}

	CloseHandle(pi.hProcess);
	CloseHandle(pi.hThread);

	_tprintf(_T("Close Handle\n"));

	return 0;
}

• 자식 프로세스를 생성하고 일정 시간 뒤 자식 프로세스의 핸들을 소멸시킨다

 

실행 결과

• 부모 프로세스에서 자식 프로세스의 핸들을 소멸시켰지만 자식 프로세스는 계속해서 실행된다
• 자식 프로세스와 자식 프로세스의 커널 오브젝트는 계속해서 존재한다

 

프로세스 커널 오브젝트 소멸 시점

• 프로세스가 종료되었고
• 프로세스 커널 오브젝트의 Usage Count 가 0인 경우

 

프로세스 종료 코드

• 프로세스의 실행 결과
• 프로세스의 커널 오브젝트에 저장
• 종료 코드 0은 프로세스가 성공적으로 완료되었음을 의미
• 프로세스 종료 방법
  • main 함수의 return 문
  • exit 함수 호출
  • abort 함수 호출

 

GetExitCodeProcess 함수

BOOL GetExitCodeProcess(
  [in]  HANDLE  hProcess,
  [out] LPDWORD lpExitCode
);

• 프로세스의 종료 코드를 검색
• hProcess : 프로세스에 대한 핸들
• lpExitCode : 프로세스 종료 코드를 저장할 변수의 포인터

 

자식 프로세스의 종료 코드 확인

// Exit Code Child Process

#include <windows.h>
#include <tchar.h>
#include <stdio.h>

int _tmain(void)
{
	_tprintf(_T("Exit Code Child Process\n"));

	return -1;
}

• 프로세스 커널 오브젝트의 종료 코드를 -1 로 설정

 

자식 프로세스 실행 결과

• 종료 코드로 -1 출력

 

부모 프로세스에서 자식 프로세스의 종료 코드 확인

// Exit Code Parent Process

#include <windows.h>
#include <tchar.h>
#include <stdio.h>

int _tmain(void)
{
	STARTUPINFO si;
	PROCESS_INFORMATION pi;
	DWORD code;

	SecureZeroMemory(&si, sizeof(si));
	SecureZeroMemory(&pi, sizeof(pi));

	si.cb = sizeof(si);

	TCHAR commandLine[] = _T("ExitCodeChildProcess.exe");

	if (!CreateProcess(NULL, commandLine, NULL, NULL, FALSE, 0, NULL, NULL, &si, &pi))
	{
		_tprintf(_T("CreateProcess failed (%d).\n"), GetLastError());
		return -1;
	}

	WaitForSingleObject(pi.hProcess, INFINITE);

	GetExitCodeProcess(pi.hProcess, &code);

	_tprintf(_T("Get Exit Code : %d\n"), code);

	CloseHandle(pi.hProcess);
	CloseHandle(pi.hThread);

	return 0;
}

• Exit Code Child Process 실행
• GetExitCodeProcess 함수를 통해 자식 프로세스 커널 오브젝트의 종료 코드 검색

 

실행 결과

• 자식 프로세스가 소멸되었지만 자식 프로세스의 커널 오브젝트는 계속해서 존재한다
• 프로세스가 소멸되어도 커널 오브젝트는 소멸되지 않을 수 있다

 

프로세스 생성 시

• Usage Count 는 1로 초기화
  • GetCurrentProcess 함수를 통해 자신의 커널 오브젝트 핸들을 얻을 수 있다
• 초기화 이후 프로세스 커널 오브젝트에 접근 가능한 핸들이 증가할 때마다 Usage Count 증가
• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성한 경우 자식 프로세스의 Usage Count 값은 2
  • 부모 프로세스가 프로세스 생성 시 자식 프로세스의 핸들을 얻기 때문

 

프로세스 커널 오브젝트의 Usage Count 가 감소하는 시점

• 프로세스가 종료되는 시점
• 프로세스 커널 오브젝트의 핸들이 소멸되는 시점
  • CloseHandle 함수를 통해 Usage Count 감소

 

핸들을 반환하지 않는 경우

• 커널 오브젝트가 소멸되지 않고 메모리에 남아있게 된다
• 프로세스 종료 이전 사용했던 핸들을 모두 소멸시켜야 한다

 

쓰레드의 커널 오브젝트

• 같은 방식으로 동작

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참고 자료

https://pharan.tistory.com/entry/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4-%EC%83%9D%EC%84%B1?category=1179516

프로세스 생성

https://learn.microsoft.com/ko-kr/windows/win32/api/processthreadsapi/nf-processthreadsapi-setpriorityclass

SetPriorityClass 함수(processthreadsapi.h) - Win32 apps

https://learn.microsoft.com/ko-kr/windows/win32/api/processthreadsapi/nf-processthreadsapi-getcurrentprocess

GetCurrentProcess 함수(processthreadsapi.h) - Win32 apps

https://learn.microsoft.com/ko-kr/windows/win32/api/processthreadsapi/ns-processthreadsapi-process_information

PROCESS_INFORMATION(processthreadsapi.h) - Win32 apps

https://learn.microsoft.com/ko-kr/windows/win32/api/handleapi/nf-handleapi-closehandle

CloseHandle 함수(handleapi.h) - Win32 apps

https://learn.microsoft.com/ko-kr/cpp/cpp/program-termination?view=msvc-170

C++ 프로그램 종료

https://learn.microsoft.com/ko-kr/windows/win32/api/processthreadsapi/nf-processthreadsapi-getexitcodeprocess

GetExitCodeProcess 함수(processthreadsapi.h) - Win32 apps

https://www.youtube.com/playlist?list=PLVsNizTWUw7E2KrfnsyEjTqo-6uKiQoxc

뇌를 자극하는 윈도우즈 시스템 프로그래밍