[운영체제] 운영체제 요약 정리

흰연 2023. 7. 9. 16:14

2023. 7. 9. 16:14

📌 운영체제

실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고
프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 프로그램
동시다발적으로 생성, 실행, 삭제되는 다양한 프로세스를 관리한다.
- 프로세스, 스레드, 프로세스 동기화, 교착 상태 해결
자원 접근 및 할당
- CPU(CPU 스케줄링), 메모리(페이징, 스와핑), 입출력장치

메모리 구조

커널 영역(Kernel)
- 운영체제의 핵심 영역
- 커널 : 운영체제의 핵심 서비스를 담당하는 부분
- 응용 프로그램이 자원에 접근하려면 운영체제에 도움을 요청(운영체제의 코드를 실행)해야 한다. -> 이중 모드로 구현
- 시스템의 모든 것을 통제하기 때문에 사용자(유저 모드)가 직접 접근이 불가능하다.
- 접근 시 system call(시스템 콜)을 통한 커널 모드 전환이 필요하다.
유저 영역
- 스택 영역, 힙 영역, 데이터 영역, 코드 영역
- 코드 영역
  - 실행할 수 있는 코드, 기계어로 이루어진 명령어 저장
  - read-only, 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담기기에 쓰기 금지
- 데이터 영역
  - 전역 변수와 정적 변수가 저장되는 영역
- 힙 영역
  - 동적할당된 변수가 저장되는 영역, 프로그래머가 직접 할당 가능
  - 동적할당 : 프로그램이 실행되는 도중에 메모리를 할당하는 것. 동적할당에서 포인터가 저장되는 곳은 스택 영역이다. 메모리 사용 후, 동적할당 해제를 하지 않으면 메모리 누수(memory leak)가 발생할 수 있다.
- 스택 영역
  - 함수 내에서 지역변수와 매개변수가 저장되는 영역
  - 스택 영역이 생성될 때(함수 실행) 필요한 크기만큼 만들어지고, 데이터 저장
  - 함수가 끝나면 스택 영역 소멸

이중 모드

CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자 모드, 커널 모드로 구분하는 방식
사용자 모드
- 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드
- 커널 영역의 코드를 실행할 수 없는 실행 모드
- 자원 접근 불가능
커널 모드
- 운영체제의 서비스를 제공받을 수 있는 실행 모드
- 자원 접근을 비롯한 모든 명령어 실행 가능
시스템 호출(시스템 콜, system call)
- 커널 모드로 전환하여 실행하기 위해 호출
- 운영체제 서비스를 제공받기 위해 커널 모드로 전환하는 방법
- 종류
  - 프로세스 관리 : fork(), exit(), waitpid()
  - 파일 관리 : open(), close(), read(), write()
  - 디렉터리 관리 : mkdir(), rmdir()
  - 파일 시스템 관리 : mount(), umount()

프로세스

운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스
동적인 개념으로 실행된 프로그램을 의미한다.
프로세스 확인 방법
- 윈도우 : 작업 관리자
- 리눅스, macOS : ps 명령어
포그라운드 프로세스(Foreground process)
- 사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스
백그라운드 프로세스(background process)
- 사용자와 직접 상호작용이 가능한 프로세스
- 사용자와 상호작용하지 않고 정해진 일만 수행하는 프로세스 -> 데몬(daemon), 서비스(service)

프로세스 제어 블록(PCB)

모든 프로세스는 실행을 위해 CPU가 필요하다.
하지만 CPU 자원은 한정되어 있기 떄문에, 프로세스들은 돌아가면서 한정된 시간만큼 CPU를 사용해야한다.
프로세스를 관리하기 위해서 PCB 사용
프로세스 관련 정보를 저장하는 자료구조
대표적인 정보
- 프로세스 ID(PID)
  - 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유 번호(ex. 학번, 사번)
- 레지스터 값
  - 프로세스가 자신의 실행 차례가 오면, 이전에 사용한 레지스터 중간 값을 모두 복원한다.
  - 프로그램 카운터, 스택 포인터, ..
- 프로세스 상태
  - 생성(create), 준비(ready), 실행(running), 대기(waiting), 완료(terminated)
- CPU 스케줄링 정보
  - 우선 순위, 최종 실행 시각, CPU 점유 시간
  - 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당 받을지에 대한 정보
- 메모리 정보
  - 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보
  - 페이지 테이블 정보
- 사용한 파일과 입출력장치 정보

문맥 교환(context switch)

A 프로세스에서 B 프로세스로 넘어 갈 때, 어떤 작업이 수행?
- 기존 실행 프로세스가 지금까지의 중간 정보를 백업한다.
- 중간 정보 : context(문맥)
- 다음 차례가 왔을 때 실행을 재개하기 위해 저장하는 정보
기존 실행 프로세스 문맥을 백업하고, 새로운 프로세스 실행을 위해 문맥을 복구하는 과정

프로세스 상태

생성 상태(create)
- 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당 받은 상태
- 준비가 완료되면 준비 생태로
준비 상태(ready)
- 바로 실행 가능하지만, 순서를 기다리는 상태
실행 상태(running)
- CPU를 할당 받아 실행 중인 상태
- 할당 시간을 모두 사용하면,(타이머 인터럽트 발생) 준비 상태로 이동
- 실행 도중 입출력장치를 사용하면 입출력 작업이 끝날 때까지 대기 상태로
대기 상태(waiting)
- 프로세스가 실행 도중 입출력장치를 사용하는 경우
- 입출력 작업이 끝나면 준비 상태로 이동
종료 상태(terminated)
- 프로세스가 종료된 상태
- PCB 정리

스레드

프로세스를 구성하는 실행 흐름의 단위
하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있다.
단일 스레드 프로세스 : 실행 흐름 1개
멀티 스레드 프로세스 : 실행 흐름 2개 이상, 여러 명령어 동시 실행 가능
스레드의 구성 요소
- 스레드 ID, 레지스터 값, 스택 등등
- 실행에 필요한 최소한의 정보를 갖고 있다.
- 같은 프로세스에 있는 스레드 끼리 자원을 공유할 수 있다.

프로세스 VS 스레드

- 프로세스는 메모리에 올라가는 프로그램으로 운영체제로부터 메모리, 주소 공간 등을 할당 받는다.

- 멀티 프로세스 환경에서는 메모리에 올라간 다양한 프로세스들이 CPU를 선점하며 진행된다.

- CPU 선점과정을 통해 PCB에 각각의 프로세스들이 실행되었던 정보들은 문맥 교환을 통해 저장된다.

- 스레드는 각 프로세스에서 실행 단위를 뜻한다. 하나의 프로세스에 여러 개의 스레드가 동작하는 것을 멀티 스레드라고 한다.

- 각각 스레드는 한 프로세스에서 힙 영역과 데이터 영역을 공유하고, 각 스레드마다 스택과 PC레지스터 값이 따로 존재한다.

- 멀티 스레드는 생성과 관리의 중복을 최소화하고, 멀티 프로세스에 비해 문맥 교환 비용이 낮다.

멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

멀티 프로세스의 프로세스는 자원을 서로 공유하지 않는다.
- 프로세스 간 통신(IPC)으로, 프로세스 간에도 자원을 주고받을 수 있다.
멀티 스레드에서는 하나의 프로세스 자원을 스레드가 서로 공유한다.

멀티 스레드

- 장점 : 여러 프로세스를 동시에 처리하던 일을 자원과 메모리 공유로 자원 소모에 대한 비용 절감

- 또한 프로세스의 문맥 교환과 다르게 캐시 메모리를 비울 필요가 없어 속도가 빠르다.

- 단점 : 여러 자원을 공유하기 때문에, 동기화 문제를 해결하기 위한 작업 필요

-> 멀티 프로세스도 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원에 대해 접근할 때 동기화 문제가 발생할 수 있다.

- 문재 해결 : 임계 영역으로 동시 접근 방지 -> 세마포어, 뮤텍스

CPU 스케줄링

운영체제가 프로세스들에게 공정하고 합리적으로 CPU 자원을 분배하는 것
프로세스 우선순위(priority) 에 따라 프로세스 실행 순서가 정해진다.
스케줄링 큐

선점(preemptive) 스케줄링

프로세스가 CPU를 할당받아 실행 중이어도, 운영체제가 CPU의 사용권을 선점 가능
처리 시간 예측이 어렵다.
잦은 문맥 교환으로 오버헤드 발생 가능성이 있다.
CPU 사용 독점 문제를 막을 수 있다.
Interrupt, I/O or Event Completion, I/O or Event Wait, Exit

비선점(non-preemptive) 스케줄링

프로세스가 CPU를 점유하고 있으면, 사용을 뺐을 수 없는 방식
필요한 문맥 교환만 일어나기 때문에 오버헤드가 상대적으로 적다.
처리 시간 예측이 쉽다.
I/O or Event wait, Exit

프로세스 상태 다이어그램

승인(Admitted) : 프로세스 생성이 가능하여 승인된 상태
스케줄러 디스패치(Scheduler dispatch) : 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나를 선택하여 실행
인터럽트(Interrupt) : 예외, 입출력, 이벤트 등이 발생해서 현재 실행 중인 프로세스를 준비 상태로 바꾸고, 해당 작업을 먼저 처리
입출력 또는 이벤트 대기(I/O or event wait) : 실행 중인 프로세스가 입출력이나 이벤트를 처리해야 하는 경우, 입출력/이벤트가 모두 끝날 때 까지 대기 상태로 만드는 것
입출력 또는 이벤트 완료(I/O or event completion) : 입출력/이벤트가 끝난 프로세스를 준비 상태로 전환하여 스케줄러에 의해 선택될 수 있도록 만드는 것

CPU 스케줄링 종류

비선점 스케줄링
1. FCFS(First Come First Served) 선입 선처리 스케줄링
  - 준비 큐에 삽입된 순서대로 처리하는 비선점 스케줄링
  - 먼저 CPU를 요청한 프로세스부터 CPU 할당
  - 실행 시간이 짧은 것이 뒤로 가면 평균 대기 시간이 길어진다.
2. SJF(Shortest Job First) 최단 작업 우선 스케줄링
  - 수행 시간이 가장 짧다고 판단되는 작업을 먼저 수행
  - FCFS 보다 평균 대기 시간 감소, 짧은 작업에 유리하다.
선점 스케줄링
1. RR(Round Roubin) 라운드 로빈
  - FCFS + 타임 슬라이스(time slice) or Time Quantum
  - 타임 슬라이스 : 실행의 최소 단위 시간, 각 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 정해진 시간
  - 정해진 시간을 모두 사용해도, 프로세스가 완료되지 않으면 큐의 맨 뒤에 삽입(문맥 교환)
  - Time Quantum이 크면 FCFS와 같고, 작으면 문맥 교환이 잦아져서 오버헤드 발생
2. SRT(Shortest Remaining Time) 최소 잔여 시간 우선 스케줄링
  - SJF + RR
  - 정해진 시간만큼 CPU를 사용하고, 다음으로 CPU를 사용할 프로세스를 남은 작업 시간이 가장 적은 프로세스를 선택한다.
3. Priority Scheduling(우선순위 스케줄링)
  - 프로세스들에 우선순위를 부여하고, 우선순위 높은 프로세스부터 실행
  - 우선순위가 같은 프로세스들은 FCFS 스케줄링
  - 단점 : 우선 순위가 낮은 프로세스를 무한정 기다리는 기아(starvation) 현상
  - Aging 방법으로 기아 현상 해결이 가능하다.
  - Aging : 오랫동안 대시한 프로세스의 우선순위를 점차 높이는 방식
4. Multilevel-Queue(다단계 큐)
  - 우선순위 스케줄링이 발전된 형태
  - 우선순위별로 준비 큐를 여러 개 사용하는 스케줄링 방식
  - 우선순위가 가장 높은 큐에 있는 프로세스를 먼저 처리하고, 가장 높은 큐가 비어 있으면 그 다음 우선순위 큐에 있는 프로세스를 처리한다.
  - 우선순위가 높은 큐는 작은 Time Quantum, 우선순위가 낮은 큐는 큰 Time Quantum
5. Multilevel feedback queue(다단계 피드백 큐 스케줄링)
  - 큐 간의 이동이 가능한 다단계 큐 스케줄링
  - 자연스럽게 CPU 집중 프로세스의 우선순위는 상대적으로 낮아지고, 입출력 집중 프로세스의 우선순위는 높아진다.

동기화

프로세스들의 수행 시기를 맞추는 것
실행 순서 제어 : 프로세스를 올바른 순서대로 실행, reader writer problem
- reader와 writer 프로세스는 아무렇게나 실행 되면 X
상호 배제 : 동시 접근이 안되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 하기, bank account problem
- 한 번에 하나의 프로세스만 접근해야 하는 자원에 동시 접근을 피하기 위한 동기화
- ex. 계좌에 입금할 때 현재 잔액 + 추가 금액
공유 자원 : 여러 프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원
- ex. 전역 변수, 파일, 입출력장치, 보조기억 장치 등등
임계 구역 : 동시에 실행하면 문제가 발생하는 자원에 접근하는 코드 영역
- ex. 총합 변수, 잔액 변수
레이스 컨디션(race condition) : 임계 구역에 동시에 접근하면 자원의 일관성이 꺠지는 것

Race Condition

공유 자원에 대해 여러 프로세스가 동시에 접근할 때, 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태

동기화 기법

뮤텍스 락, 세마포어, 모니터
뮤텍스 락
- 상호 배제를 위한 동기화 도구, key를 기반으로 상호 배제
- 전역 변수 1개, 함수 2개로 구현
- 자물쇠 역할 : 프로세스들이 공유하는 전역 변수 lock
- 임계 구역을 잠그는 역할 : acquire 함수
- 임계 구역의 잠금을 해제하는 역할 : release 함수
- busy waiting(바쁜 대기) 적용 : 임계 구역이 잠겨 있는지 확인하는 작업을 무한으로 작동
세마포어
- 일반화된 방식의 동기화 도구
- 공유 자원이 여러 개 있는 경우에도 적용 가능
- 멀티프로그래밍 환경에서 공유 자원에 대한 접근을 제한하는 방법
- 전역 변수 1개, 함수 2개로 구현
- 전역 변수 S : 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수를 나타내는 변수
- wait 함수 : 임계구역에 들어가도 되는지, 기다려야 하는지 알려주는 함수
- signal 함수 : 임계 구역 앞에서 기다리는 프로세스에 가도 된다는 신호를 주는 함수
- busy waiting(바쁜 대기) 적용 : CPU 사이클 낭비의 단점
  - 계속 반복되는 연산으로 CPU 낭비
  - 해결 방법
    - 사용할 수 있는 자원이 없을 경우 대기 상태로 만든다. -> 해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에 삽입
    - 사용할 수 있는 자원이 생겼을 경우 대기 큐의 프로세스를 준비 상태로 만든다. -> 해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에서 꺼내 준비 큐에 삽입

wait() {
    while (S <= 0) // 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수가 0 이하면
        ; // 사용 가능한 자원이 있는지 확인하고
    S--; // 임계 구역에 진입할 수 있는 프로세스 개수가 1개 이상이면 S 감소하고 임계 구역 진입
}

signal() {
    S++; // 임계 구역에서의 작업을 마치고 S 증가
        }

교착 상태(Dead lock)

두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로 자원을 얻지 못해서 다음 처리를 하지 못하는 상태
무한히 다음 자원을 기다리는 상태
교착 상태 조건
- 상호 배제 : 한 프로세스가 사용하는 자원을 다른 프로세스가 사용할 수 없는 상태
- 점유와 대기 : 자원을 할당 받은 상태에서 다른 자원을 할당 받기를 기다리는 상태
- 비선점 : 어떤 프로세스도 다른 프로세스의 자원을 강제로 빼앗지 못하는 상태
- 원형 대기 : 프로세스들이 원의 형태로 자원을 대기하는 상태
교착 상태 해결 방법
- 예방(prevention) : 교착 상태가 발생하지 않도록 발생 조건 중 하나를 없애기
- 회피(avoidance) : 예방보다 덜 엄격한 제약 조건으로 자원을 좀 더 효율적으로 사용할 수 있도록 해결
  - 은행원 알고리즘 : 프로세스가 자원을 요구할 때, 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태인지 사전에 검사하여 교착 상태 회피
- 회복 : 교착 상태 발생을 인정하고 사후에 조치하는 방식
  - 선점을 통한 회복, 프로세스 강제 종료를 통한 회복
- 무시 : 교착 상태를 해결할 때, 문맥 교환에 의한 오버헤드로 성능저하가 일어날 수 있어서 무시하는 방법

메모리 단편화

- 단편화(fragmentation) : 프로세스들이 메모리에 적재되고 해제되는 것이 반복되면, 프로세스들 사이에 사용 못하는 공간이 생긴다.

- 외부 단편화 : 메모리 공간 중 사용하지 못하게 되는 일부 물리 메모리 사이에 남는 공간들을 합쳤을 때 다른 프로세스를 할당할 수 있는 문제

- 내부 단편화 : 프로세스가 사용하는 메모리 공간 내에 사용하지 않는 부분

페이징

- 페이징 기법으로 논리 메모리는 물리 메모리에 저장될 때 연속되어 저장될 필요 없이 물리 메모리의 남는 프레임에 적절히 배치

- 페이지와 프레임을 대응하는 페이징 테이블 필요(paging table)

- 장점 : 외부 단편화를 해결

- 단점 : 내부 단편화 비중이 늘어난다.

세그멘테이션

- 페이징처럼 논리, 물리 메모리를 같은 크기의 블록이 아닌 서로 다른 크기의 논리적 단위인 세그먼트로 분할해서 할당

- 각 세그먼트는 연속적인 공간에 저장된다.

- mapping을 위한 segment table 필요

- 필요한 메모리 공간만큼 메모리를 할당하기 때문에 내부 단편화 문제는 없지만, 중간에 메모리를 해제하면 외부 단편화 발생

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