면접을위한 CS 지식. Chapter3-OS

운영체제와 컴퓨터

• 하드웨어와 소프트웨어(유저 프로그램)를 관리하는 운영체제와 CPU, 메모리 등으로 이루어진 컴퓨터에 대해 알아본다.

운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
• 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 어느 정도 할당해야 할지 관리한다.
• 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
• I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고 받는 것을 관리한다.

운영체제의 구조

유저 프로그램
GUI
시스템 콜
커널
드라이버
하드웨어

• 위와 같이 유저 프로그램이 맨 위에 있고 그 다음으로 GUI, 시스템 콜, 커널, 드라이버가 있으며 가장 밑에 하드웨어가 있는 구조이다.
• 여기서 GUI, 시스템 콜, 커널, 드라이버 부분이 바로 운영체제를 지칭한다.
  • 참고로 GUI가 없고, CUI만 있는 리눅스 서버도 있다.
  • GUI : 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있도록 해준다.
  • 드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
  • CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

시스템 콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다.
• 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인 후 유저모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.
• 예시 : 유저 프로그램이 I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일을 읽는 함수가 발동했을 경우
  • 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램 로직을 수행한다.
• 위와 같은 과정을 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있다.
  • I/O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
• 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달 된다.

modebit

• 시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
• modebit은 1또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다. 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 한다.
  • 만약 유저 모드를 기반으로 카메라가 켜진다면, 사용자가 의도하지 않았는데 공격자가 카메라를 갑자기 켤 수 있는 등의 행위를 하기 쉽다.
• 이를 위한 장치가 modebit이다. 0은 커널 모드, 1은 유저모드라고 설정되며, 유저 모드일 경우에는 시스템을 못하게 막아서 한정된 일만 가능하게 한다.
• 유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하게 하는 코드
• 커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
• 커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.

컴퓨터의 요소

• 컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.

CPU

• CPU(Central Processing Unit)는 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 역할을 한다.
• 관리자의 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다.

제어 장치(CU, Control Unit)

• 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

레지스터(Register)

• 레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킨다. CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십에서 수백 배까지 빠르다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)

• 산술논리연산장치는 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

CPU의 연산 처리

• CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 예는 아래와 같다.

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 또한 레지스터에도 로드한다.
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장한다.

인터럽트

• 인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다. 키보드, 마우스 등 I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에 대한 인터럽트, 프로세스의 오류 등으로 발생한다.
• 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.
• 인터럽트 간에 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉜다.
  • 인터럽트 핸들러 함수 : 인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

하드웨어 인터럽트

• 하드웨어 인터럽트는 키보드를 연결한다거나, 마우스를 연결하는 일 등의 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.
• 이때 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행한다.

소프트웨어 인터럽트

• 소프트웨어 인터럽트는 트랩(trap)이라고도 한다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

DMA 컨트롤러

• DMA 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다.
• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 역할을 한다.
• 또한 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

메모리

• 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 말한다.
• CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당한다.
• 메모리가 크면 클수록 컴퓨터가 많은 일들을 동시에 기억할 수 있다.

타이머

• 몇 초안에는 작업이 끝나야 된다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할이다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재한다.

디바이스 컨트롤러

• 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스 들의 작은 CPU를 말한다.

메모리

메모리 계층

• 메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있다.
• 레지스터 : CPU안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적다.
• 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭한다. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적다.(상황에 따라 L3 캐시도 존재함)
• 주기억장치 : RAM을 가리킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량 보통이다.
• 보조기억장치 : HDD, SDD를 일걸으며 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많다.
• 램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다.
• 계층이 위로 올라갈수록 가격이 비싸지고, 용량이 작아지고, 속도가 빨라지는 특징이 있다.
• 어떠한 프로그램을 실행하면 ‘로딩 중’이라는 메시지가 나오는 것은 하드디스크 또는 인터넷에서 데이터를 읽어 RAM으로 전송하는 과정이 진행 중임을 의미한다.

캐시

• 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말한다.
• 이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있다.
• 실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결한다.
• 이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 한다.

지역성의 원리

• 캐시 계층을 두는 것이외에 캐시를 지정하는 일을 해야된다.
• 이는 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정한다.
• 그에 대한 근거는 지역성이다. 지역성은 시간 지역성과 공간 지역성으로 나뉜다.
  • 시간 지역성(temporal locality) : 최근에 사용한 데이터를 다시 접근하려는 특성을 말한다.
  • 공간 지역성(spatial locality) : 최근에 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하려는 특성을 말한다.

캐시히트와 캐시미스

• 캐시에서 원하는 데이터를 찾았을 때 캐시 히트라고 하며, 해당 데이터가 캐시에 없다면 주메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 한다.
• 캐시히트를 하게 되면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져오게 된다.
  • 캐시 히트의 경우 위치가 가깝고, CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠르다.
• 캐시미스가 발생되면 메모리에서 가져오는데, 이는 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느리다.

캐시 매핑

• 캐시매핑이란 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며 CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명한다.
• 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘해주기 위해선 매핑 방법이 중요하다.
• 직접 매핑 : 메모리가 1 ~ 100이 있고 캐시가 1 ~ 10이 있다면 1:1 ~ 10, 2:1 ~ 20… 과 같이 매핑하는 것을 말한다. 처리가 빠르지만 충돌이 잦다.
• 연관 매핑 :(associative mapping) : 순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑한다. 충돌이 적지만모든 블록을 담색해야 해서 속도가 느리다.
• 집합 연관 매핑(set associative mapping) : 직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것이다.

웹 브라우저의 캐시

• 소프트웨어 적인 대표적인 캐시로는 웹 브라우저의 작은 저장소인 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있다. 이러한 것들은 보통 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라이저에 저장해서 추후에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰인다.

쿠키

• 만료기한이 있는 키-값 저장소이다.
• same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송되며, 4KB 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있다.
• 쿠키를 설정할 때는 document.cookie로 쿠키를 볼 수 없게 httponly 옵션을 거는 것이 중요하며, 클라이언트는 또한 서버에서 만료기한 등을 정할 수 있다.(보통 서버에서 만료기한을 정한다.)

로컬 스토리지

• 만료기한이 없는 키-값 저장소이다. 10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성된다.
• HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며 클라이언트에서만 수정 가능하다.

세선 스토리지

• 만료기한이 없는 키-값 저장소이다. 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제된다. 5MB까지 저장이 가능하며, HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에시는 사용할 수 없다.
• 클라이언트에서만 수정 가능하다.

데이터베이스의 캐싱 계층

• 데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터 베이스 위에 레디스(redis) 데이터 베이스 계층을 캐싱 계층으로 둬서 성능을 향상 시킬 수 있다.

메모리 관리

• 운영체제의 대표적인 할 일 중 하나가 메모리 관리이다. 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야된다.

가상 메모리(virtual memory)

• 가상 메모리는 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것이다.
• 이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address)라고 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소(physical address)라고 한다.
• 가상 주소는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 된다.
• 가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 ‘페이지 테이블’로 관리 된다.
  • 이때 속도 향상을 위해 TLB를 쓴다.
  • TLB : 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시이다. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상 시킬 수 있는 캐시 계층이다.

스와핑

• 만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다. 이를 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옶겨 필요할 때 다시 RAM으로 불러와 올리고, 사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여 RAM을 효과적으로 관리하는 것을 스와핑(swapping)이라고 한다.

페이지 폴트

• 페이지 폴트(page fault)란 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 현재 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생한다.
• 이때 운영체제는 아래와 같은 과정으로 해당 데이터를 메모리로 가져와서 마치 페이지 폴트가 전혀 발생하지 않는 것처럼 프로그램이 작동하게 해준다.

1. CPU가 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생하여 운영체제에게 알림
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춤.
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾는다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동한다.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화 한다.
5. 중단되었던 CPU를 다시 시작한다.
   • 페이지 : 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
   • 프레임 : 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

스레싱(trashing)

• 스레싱은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.
• 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것이다.
• 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다. CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 CPU가 idle한 상황인 것으로 여기게 되어 가용성을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다. 이와 같은 악순환이 반복되며 스레싱이 일어나게 된다.
• 이를 해결하기 위한 방법으로는 메모리를 늘리거나, HDD를 SDD로 바꾸는 방법이 있다.
• 이외에 운영체제에서 이를 해결할 수 있는 방법은 작업 세트와 PFF가 있다.

작업 세트(working set)

• 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것이다. 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고 스와핑 또한 줄일 수 있다.

PFF(Page Fault Frequency)

• PFF는 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법이다. 만약 상한선에 도달한다면 페이지를 늘리고 하한선에 도달한다면 페이지를 줄이는 것이다.

메모리 할당

• 메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데, 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.

• 연속 할당
  • 메모리에 ‘연속적으로’ 공간을 할당하는 것읆 말한다.
  • 이는 메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변 분할 방식이 있다.
    • 고정 분할 방식 : 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식이며, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 flexibility 가 떨어지고, 내부 단편화가 발생한다.
    • 가변 분할 방식 : 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다. 내부 단편화는 발생하지 않지만 외부 단편화는 발생할 수 있다. 최초적합, 최적 적합, 최악 적합이 있다.
      • 최초 적합(first fit) : 위쪽이나 아래쪽에서 부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당한다.
      • 최적 적합(best fit) : 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당한다.
      • 최악 적합(worst fit) : 프로세스의 크기와 가장 많이 차이나는 홀에 할당한다.
    • 내부 단편화(internal fragmentation) : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
    • 외부 단편화(external fragmentation) : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
• 불연속 할당
  • 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 불연속 할당인 페이징 기법이 있다.
  • 메모리를 동일한 크기의 페이지(보통 4KB)로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것이다.
    • 그 이외에도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다.
  • 페이징(paging) : 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해진다.
  • 세그멘테이션(segmentation) : 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식. 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데, 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있음을 의미한다. 공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생한다.
  • 페이지드 세그멘테이션(paged segmentation) : 공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것을 말한다.

페이지 교체 알고리즘

• 오프라인 알고리즘(offline algorithm) : 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며, 가장 좋은 방법이다. 하지만 이는 optimal 알고리즘을 가정하여 현실적인 알고리즘과 비교하기 위한 기준일뿐 구현은 불가능하다.
• FIFO(First In First Out) : 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법을 의미한다.
• LRU(Least Recently Used) : 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다. ‘오래된’ 것을 파악하기 위해 각 페이지 마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있다.
• NUR(Not Used Recently) : clock 알고리즘이라고 하며 먼저 0과 1을 가진 비트를 두고, 1은 최근에 참고 조이었고 0은 참조되지 않음을 의미한다. 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘이다.
• LFU(Least Frequently Used) : 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체한다. 즉, 많이 사용되지 않은 것을 교체한다.

프로세스와 스레드

• 프로세스(process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다.
• 스레드(thread)는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.
• 프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.

프로세스와 컴파일 과정

• 프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화된 것을 말한다.
• 프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것을 의미하며 ‘컴파일 과정’이란 아래의 이미지와 같다.
  • 여기서 말하는 프로그램이란 C언어 기반의 프로그램을 의미한다.(한 번에 한 줄씩 읽어들여서 실행하는 인터프러터 언어와는 다르다)
  • 전처리(pre-processor) : 소스코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.
  • 컴파일러(compiler) : 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다.
  • 어셈블러(Assembler) : 어셈블리어는 목적 코드(object code)로 변환된다. 이때 확장자는 운영체제마다 다르다.
  • 링커(linker) : 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다.
  • 정적 라이브러리와 동적 라이브러리
    • 정적 라이브러리 : 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식. 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어진다.
    • 동적 라이브러리 : 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식. 메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점이 있다.

프로세스의 상태

• 생성 상태(create)

  • 프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다. 이때 PCB가 할당된다.
    • fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.
    • exec() : 새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

• 대기 상태(ready)

  • 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.

• 대기 중단 상태(ready suspended)

  • 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

• 실행 상태(running)

  • CPU 소유권과 메모리를 할당받고 instruction을 수행 중인 상태를 의미한다.

• 중단 상태(blocked)

  • 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태이다. I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생한다.
• 일시 중단 상태(blocked suspended)
  • 대기 중단 상태와 유사하다. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.
• 종료 상태
  • 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다. 종료는 자연스럽게 되는 종료도 있지만, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 종료되는 것도 있다.

프로세스의 메모리 구조

• 스택
  • 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 ‘동적’인 특징을 갖는다.
  • 스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 히과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 때문에 힙과 스텍 사이의 공간을 비워놓는다.
• 힙
  • 동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정된다.
  • 힙은 ‘동적’인 특징을 갖는다.
• 데이터 영역
  • 전역변수, 정적변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역이다.
  • 데이터 영역은 BSS 영역과. Data 영역으로 나뉜다.
• 코드 영역
  • 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역이다. 이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 갖는다.

PCB(Process Control Block)

• PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 ‘데이터’를 말한다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.
• 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.
  • 메타데이터
    • 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터이다.
• PCB의 구조
  • 프로세스 스케줄링 상태 : ‘준비’, ‘일시 중단’ 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후 경과된 시간과 같은 기타 스케줄링 정보.
  • 프로세스 ID : 프로세스의 ID와 자식 프로세스의 ID를 저장
  • 프로세스 권한 : 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
  • 프로그램 카운터 : 프로세스에서 실행해야할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터 정보
  • CPU 레지스터 : 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
  • 게정 정보 : 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
  • I/O 상태 정보 : 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭(context switching)

• PCB를 교환하는 과정을 말한다.
• 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.
• 프로세스 A와 B가 있을 경우
  • 프로세스 A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행한다.
  • 그리고 다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드한다.
• 이러한 컨텍스트 스위칭 과정에서 발생하는 추가적인 비용에는 캐시 미스가 있다.
  • 캐시미스 : 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시 클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시 미스가 발생한다.
• 스레드에서의 컨텍스트 스위칭
  • 이러한 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어난다.
  • 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.

멀티 프로세싱

• 멀티 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행하는 것을 말한다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다.

IPC(Inter Process Communication)

• 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다.
• 종류
  • 공유 메모리(shared memory) : 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것을 말한다.
    • 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고 받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르다.
    • 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.
  • 파일 : 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말한다.
  • 소켓 : 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.
  • 익명 파이프(unnamed pipe): 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다.
    • 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 잇으며 다른 네트워크 상에서는 사용이 불가능하다.
  • 명명 파이프 (named pipe): 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말한다. 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.
  • 메시지 큐(message queue) : 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 이는 커널의 전역 변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있다는 장점이 있다.

스레드와 멀티 스레딩

• 스레드 : 프레스스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.
• 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙을 서로 공유 한다.
• 멀티 스레딩 : 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 처리하는 기법이다.
  • 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.

공유 자원과 임계 영역

공유 자원(shared resource)

• 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다.
• 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 race condition이라고 한다.
  • 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태

임계 영역

• 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 영역을 임계 영역(critical section)이라고 한다.
• 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터가 있다.
• 이러한 방법들은 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족한다.

뮤텍스(mutex)

• 공유 자원을 사용하기 전에 설정하고, 사용한 후에 해제하는 잠금 장치이다.
• 잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없다.
• 뮤텍스는 하나의 상태만 가진다.

세마포어(semaphore)

• 일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait (P 함수라고도 함), signal (V 함수라고도 함)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
• wait() 은 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal() 은 다름 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.
• 바이너리 세마포어
  • 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다.
    • 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고도 할 수 있다.
• 카운팅 세마포어
  • 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이다. 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다.

모니터

• 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.
• 모니터는 세마포어보다 구현이 쉬우며 모니터에서 상초 배제는 자동인 반면에 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

교착 상태(dead lock)

• 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.
• 원인
  • 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다.
  • 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태이다.
  • 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
  • 환형 대기 : 프로세스들이 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황
• 해결 방법
  • 자원을 할당할 때 애초에 교착상태 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
  • 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원이 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘을 쓴다.
    • 은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태를 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘
  • 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한개씩 지운다.
  • 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문이 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다.

CPU 스케줄링 알고리즘

• 프로그램이 실행될 때는 CPU 스케줄링 알고리즘이 어떤 프로그램에 CPU 소유권을 줄 것인지 결정해야 한다.
• CPU 이용률은 높게, 주어진 시간에 많은 일을 하게, 준비 큐(ready queue)에 있는 프로세스는 적게, 응답 시간은 짧게 설정하는 것을 목표로 한다.

비선점형 방식(non-preemptive)

• 프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식이며, 강제로 프로세스를 중지하지 않는다. 따라서 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적다.

FCFS(First Come First Served)

• 가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘이다.
• Convey effect가 발생할 수 있다.
  • Convey effect : 단일 프로세스가 시스템의 성능을 저하시키는 현상을 말한다. 이는 한 프로세스가 CPU를 오랫동안 점유하거나, I/O 작업으로 인해 다른 프로세스들이 긴 시간 동안 대기하게 되는 상황에서 발생한다.

SJF(Shortest Job First)

• 실행 시간이 가장 짧은 프로세스가 가장 먼저 실행하는 알고리즘이다.
• 평균 대기 시간이 가장 짧다. 하지만 실행 시간을 알 수 없기 때문에 과거의 실행했던 시간을 토대로 추측해서 사용한다.
• Starvation 현상이 발생할 수 있다.
  • 특정 프로세스가 필요한 자원을 장시간 또는 무기한 할당받지 못하는 상태를 말한다. 이로 인해 해당 프로세스는 실행 진행이 늦어지거나 심한 경우 실행되지 않을 수 있다.

우선 순위

• 기존 SJF 스케줄링의 경우 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상이 있었다.
• 이는 오래된 작업일수록 ‘우선순위를 높이는 방법(aging)’을 통해 단점을 보완한 알고리즘을 말한다.

선점형 방식(preemptive)

• 현대 운영체제가 쓰는 방식으로 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단 시키고 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식을 말한다.

라운드 로빈(RR, Round Robin)

• 현대 컴퓨터가 쓰는 스케줄링인 우선순위 스케줄링의 일종으로 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 가는 알고리즘이다.
  • 예를 들어 q만큼의 할당 시간이 부여되었고 N개의 프로세스가 운영된다고 하면(N-1)*q 시간이 지나면 자기 차례가 오게된다.
• 할당 시간이 너무 크면 FCFS가 되고 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아져서 오버헤드가 커진다.
• 일반적으로 전체 작업 시간은 길어지지만 평균 응답 시간은 짧아진다는 특징이 있다.
• 또한, 이 알고리즘은 로드 밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 쓰인다.

SRF

• SJF는 중간에 실행 시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그다음 짧은 작업을 이어가는데, SRF는 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘이다.

다단계 큐

• 우선순위에 따른 준비 큐를 여러개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것을 말한다. 큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어지는 특징이 있다.