면접을 위한 CS 전공지식 노트 운영체제 편 - 메모리, 프로세스, 스레드, PCB, 멀티 프로세싱, 공유자원과 임계영역, 교착 상태, CPU 스케줄링

이번 블로깅은 면접을 위한 CS 전공지식 노트 운영체제 부분을 정리해보았습니다.

운영체제

• 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스, 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배함
• 운영체제에서 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것이 펌웨어

운영체제와 컴퓨터

운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

• CPU 스케줄링과 프로세스 관리
• 메모리 관리
• 디스크 파일 관리
• I/O 디바이스 관리

운영체제의 구조

• 유저 프로그램
• GUI
• 시스템콜
• 커널
• 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
• 하드웨어

가운데의 4개가 운영체제

• 시스템콜: 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 씀
  • 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행
  • 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달함
• modebit: 시스템콜이 작동될 때 modebit를 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분. modebit는 1 or 0(커널)의 값을 가지는 플래그 변수

컴퓨터의 요소

CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어짐

CPU

• Central Processing Unit
• 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
• 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼
• 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리함

제어장치

• Control Unit. 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
• 출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정

레지스터

• 매우 빠른 임시기억장치
• 연산 속도가 메모리보다 수십, 수백배
• CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없어서 레지스터를 거쳐 데이터를 전달

산술논리연산장치

• ALU, Arithmetic Logic Unit
• 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

연산 과정

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드. 또한, 레지스터에도 로드
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장

인터럽트

• 어떤 신호가 들어왔을 떄 CPU를 잠깐 정지시키는 것
• 키보드, 마우스, IO 디바이스, 프로세스 오류 등으로 발생
• 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행
  • 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행됨
  • 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 2가지로 나뉨
• 인터럽트 핸들러 함수: 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있음
• 하드웨어 인터럽트: IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
  • 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행
• 소프트웨어 인터럽트: 트랩(trap). 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동

DMA 컨트롤러

• I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
• CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼

메모리

• 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
• 보통 그냥 RAM(Random Access Memory)
• CPU는 계산, 메모리는 기억을 담당

디바이스 컨트롤러

• 컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU

메모리

메모리 계층

레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성

• 레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적음.
• 캐시: L1, L2, L3 캐시를 지칭. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적음
• 메모리(RAM)/주기억장치: 휘발성, 속도, 기억 용량 보통
• 보조기억장치: HDD, SSD. 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많음

캐시

• 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자
• 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리
• 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 두는 것과 같음
• 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층
• 캐시 메모리와 보조기억장치 사이에 있는 주기억장치를 보조기억장치의 캐싱 계층이라고 할 수 있음

지역성의 원리

• 캐시 계층을 두는 것 말고 캐시를 직접 설정할 때 개념
• 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야 함
  • 이 근거가 지역성

캐시히트와 캐시미스

• 캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트
• 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 함
• 캐시히트를 하게 되면 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져오게 되서 위치도 가깝고 CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠름
• 캐시미스가 발생되면 메모리에서 가져오게 되는데, 이는 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느림

캐시매핑

• 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법
• 레지스터는 주 메모리에 비하면 굉장히 작고 주 메모리는 굉장히 크기 때문에 작은 레지스터가 캐시 계층으로써 역할을 잘 해주려면 이 매핑이 중요함

웹 브라우저의 캐시

• 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지
• 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰임

메모리 관리

운영체제의 대표적인 할 일 중 하나

가상 메모리

• 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말함
• 가상 주소, 실제 주소
  • 가상 주소는 메모리관리장치(MMU, Memory Management Unit)에 의해 실제 주소로 변환
• 가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리됨
  • 이때 속도 향상을 위해 TLB를 씀
• TLB: 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시
  • 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관
  • CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층

스와핑

• 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생. 이때 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰느 것
• 이를 통해 마치 페이지 폴트가 일어나지 않는 것처럼 만듬

페이지 폴트

• 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생

페이지 폴트와 그로 인한 스와핑 과정

1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 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 찾습니다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화
5. 중단되었던 CPU 다시 시작

• 페이지: 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
• 프레임: 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

스레싱

• 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미. 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래
• 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생
• 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아짐. 그러면 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 됨. 이렇게 악순환이 반복되어 스레싱이 일어남
• 운영체제 입장에서의 해결 방법은 작업 세트와 PFF가 있음

작업 세트

• working set. 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드

PFF

• Page Fault Frequency. 페이지 폴트 빈도를 상한선과 하한선을 만들어 조절하는 방법

메모리할당

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

연속 할당

• 메모리에 연속적으로 공간을 할당
• 고정 분할 방식, 가변 분할 방식으로 나뉨

고정 분할 방식

• 메모리를 미리 나누어 관리
• 융통성이 없고, 메모리 단편화가 발생

가변 분할 방식

• 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용
• 외부 단편화가 발생할 수 있음
• 최초적합, 최적적합, 최악적합이 있음

내부 단편화

• 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

외부 단편화

• 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

홀

• 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간

불연속 할당

• 현대 운영체제가 쓰는 방법
• 메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당
• 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있음

페이징

• 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당
• 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해짐

세그멘테이션

• 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식
• 프로세스가 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데, 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있음
• 공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생

페이지드 세그멘테이션

• 공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것

페이지 교체 알고리즘

• 스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어남

오프라인 알고리즘

• 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며, 가장 좋은 방법
• 미래에 사용되는 프로세스를 우리가 알 수가 없으니 사용할 수 없는 알고리즘

FIFO

• 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법

LRU

• Least Recentle Used. 참조가 가장 오래된 페이지를 바꿈
• 오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제가 있음
• LRU 구현을 프로그래밍으로 구현할 때는 2개의 자료구조로 구현하는데 해시 테이블과 이중 연결 리스트
  • 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고, 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타냄

NUR

• Not Used Recently. clock 알고리즘.
• 0과 1을 가진 비트를 둠. 1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미. 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘

프로세스와 스레드

• 프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
• CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업
• 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름

프로세스와 컴파일 과정

• 프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것을 의미
• 별도의 컴파일 과정 없이 한 번에 한 줄씩 읽어들여서 실행하는 프로그램인 인터프리터 언어로 된 프로그램과는 다름

프로그램의 컴파일 과정
소스코드 -> 전처리 -> 컴파일러 -> 어셈블리어 -> 어셈블러 -> 목적코드 -> 링커 -> 실행 가능한 파일

전처리

• 소스코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환

컴파일러

• 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

어셈블러

• 목적 코드로 변환

링커

• 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 겷합하여 실행 파일을 만듬
• .out 확장자

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

• 정적 라이브러리는 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
• 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점
• 동적 라이브러리는 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식이며, 메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점

프로세스의 상태

생성 상태

• 프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성
• 이때 PCB가 할당

fork()

• 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
• 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않음

exec()

• 새롭게 프로세스를 생성

대기 상태

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

대기 중단 상태

• 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

실행 상태

• CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션(CPU가 실행하는 명령어)을 수행 중인 상태를 의미
• CPU burst라고 표현

중단 상태

• 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
• I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생

일시 중단 상태

• 대기 중단과 유사
• 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

종료상태

• 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료도 있음
• process, kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생

프로세스의 메모리 구조

• 운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당
• 위에서부터 동적영역의 스택과 힙, 정적 영역인 데이터 영역(BSS segment, Data segment), 코드 영역
• 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당

스택

• 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 동적인 특징을 갖음
• 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이 때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 떄문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓습니다.

힙

• 동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정
• 벡터 같은 동적 배열은 힙에 동적 할당
• 동적인 특징을 가짐

데이터 영역

• 전역변수, 정적변수가 저장
• 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역
• BSS 영역과 Data 영역으로 나뉘고, BSS 영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 Data 영역(Data segment)은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장

코드 영역

• 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역
• 수정 불가능한 기계어로 저장

PCB

• Process Control Block. 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말함
• 프로세스 제어 블록. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성
• 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리

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 데이터

PCB의 구조

• 프로세스 스케줄링 상태: '준비', '일시중단' 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
• 프로세스 ID: 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
• CPU 레지스터: 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
• CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
• 계정 정보: 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭

• PCB를 교환하는 과정

• 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해서 발생함

• (싱글코어 기준)어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이며, 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되고 있기 때문에 여러 개의 프로세스가 동시에 구동되는 것 처럼 느끼는 것

• 프로세스 A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행. 그리고 다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드

  • 그래서 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 유휴 시간이 발생함
  • 추가적으로 캐시미스라는 비용이 더 듬

• 캐시미스: 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생

멀티프로세싱

• 여러 개의 '프로세스', 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
• 하나 이상의 일을 병렬로 처리. 신뢰성이 높음

웹 브라우저

• 멀티프로세스 구조
• 브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당
• 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 '보이는' 부분의 모든 것을 제어
• 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어
• GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

IPC

• Inter Process Communication. 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
• 클라이언트, 서버 통신도 IPC의 예시
• 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐
  • 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐

공유 메모리

• 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성
• 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르며 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 떄문에 동기화가 필요
• 하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM을 가리킬 수 있음

파일

• 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터

소켓

• 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미
• TCP, UDP

익명 파이프

• unamed pipe. 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식
• 부모, 자식 프로세스 간에만 사용가능하고 다른 네트워크 상에서는 사용이 불가능

명명된 파이프

• named pipe. 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말함.
• 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다.

메시지 큐

• 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미
• 커널의 전역변수 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 장점 존재
• 공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이때의 대안으로 사용 가능

스레드와 멀티스레딩

스레드

• 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
• 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유하고, 프로세스 상태(각각의 스레드 상태), 스택 영역은 서로 공유함

멀티스레딩

• 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음
• 동시성에도 큰 장점

공유 자원과 임계 영역

공유자원

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

임계 영역

• 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역

• 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터가 있음. 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족

  • 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)

• 상호배제: 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없음

• 한정 대기: 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안됨

• 융통성: 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안됨

뮤텍스

• mutex. 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해체하는 객체.
• 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 점근할 수 없고 해제는 그와 반대
• 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가짐

세마포어

• semaphore. 일반화된 뮤텍스. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수), signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리
• wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
• 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행
• 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없음

바이너리 세마포어

• 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어
• 뮤텍스랑 비슷하다고 생각할 수 있지만 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 '잠금 메커니즘'이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 메커니즘'임

카운팅 세마포어

• 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용

모니터

• 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
• 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리할 수 있음
• 세마포어보다 구현하기 쉽고, 상호 배제는 자동인 반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이가 있음

교착 상태

두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

교착 상태 원인

• 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점, 다른 프로세스들은 접근이 불가능
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수가 없는 상태
• 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말함

교착상태 해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원이 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 씀
3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지움
4. 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료함. '응답 없음'이 뜨는 경우

은행원 알고리즘: 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원ㅇ르 할당하는 알고리즘

CPU 스케줄링 알고리즘

• CPU 스케줄러는 CPU 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스에서 해야 하는 일을 스레드 단위로 CPU에 할당
• CPU 이용률은 높게, 주어진 시간에 많은 일을 하게, 준비 큐에 있는 프로세스는 적게, 응답 시간은 짧게 설정하는 것을 목표로 함

비선점형 방식

• 프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식
• 강제로 프로세스를 중지하지 않음
• 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적음

FCFS

• Frist Come, First Served. 가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
• 준비 큐에서 오래 기다리는 현상(convoy effect)이 발생하는 단점

SJF

• Shortest Job First. 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘
• 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상이 일어나며 평균 대기 시간이 가장 짧음
• 실제로는 실행 시간을 알 수 없기 때문에 과거의 실행했던 시간을 토대로 추측함

우선순위

• SJF에서 오랜된 작업일수록 '우선순위를 높이는 방법'을 통해 단점을 보완한 알고리즘

선점형 방식

• 현대 운영체제가 쓰는 방식
• 알고리즘에 의해 프로세스를 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방법

라운드 로빈

• 현대 컴퓨터가 쓰는 스케줄링인 우선순위 스케줄링의 일종
• 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 가는 알고리즘
• q만큼의 할당 시간이 부여되었고 N개의 프로세스가 운영된다고 하면 (N-1)*q 시간이 지나면 자신의 차례가 옴
• 할당 시간이 너무 크면 FCFS가 되고 짧으면 컨특스트 스위칭이 잦아져서 오버헤드, 즉 비용이 커짐
• 전체 작업 시간은 길어지지만 평균 응답 시간은 짧아진다는 특징이 있음
• 로드밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로 쓰임

SRF

• 중간에 실행 시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그 다음 짧은 작업을 이어나가는데, SRF는 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘

다단계 큐

• 우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것을 말함
• 큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어짐

질문: 운영체제의 역할, PCB란?, 메모리 계층에 대해 설명

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출처: 면접을 위한 CS 전공지식 노트(주홍철 지음, 길벗 출판사)