[3] 운영체제
면접을 위한 CS 전공지식 노트 CHAPTER 3
SECTION 3.1 운영체제와 컴퓨터
3.1.1 운영체제의 역할과 구조
1. 운영체제 역할
- CPU 스케줄링와 프로세스 관리
- 메모리 관리
- 디스크 파일 관리
- I/O 디바이스 관리
2. 운영체제 구조
1) GUI
- 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
- 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해줌
2) 시스템콜
- 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
- 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 씀
- 커널 모드에서 파일을 읽고 유저모드로 돌아감
- 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근 차단, 보호
modebit
3) 커널
- 운영체제의 핵심 부분, 인터페이스 제공
- 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등
4) 드라이버
- 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
3.1.2 컴퓨터의 요소
1) CPU
메모리에 존재하는 명령어 해석•실행
✏️ 제어장치
프로세스 조작 지시, 입출력장치 간 통신 제어, 명령어 해석, 데이터 처리 순서 결정
✏️ 레지스터
임시기억장치, 연산 속도 매우 빠름
✏️ 산술논리연산장치
산술 연산+논리 연산
CPU 연산 처리
✏️ 인터럽트
CPU 잠깐 정지
우선순위에 따라 실행
- 하드웨어 인터럽트: IO 디바이스에서 발생, 순차적인 실행 중지, 운영체제에 시스템콜 요청해서 디바이스 로컬 버퍼에 접근
- 소프트웨어 인터럽트: ‘트랩’, 프로세스 오류
2) DMA 컨트롤러
- I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU 부하 막아줌
- CPU와 DMA 컨트롤러 동시 작업 막아줌
3) 메모리
- RAM, 데이터나 상태 기록
4) 타이머
- 시간 제한
5) 디바이스 컨트롤러
- IO 디바이스들의 작은 CPU
- 로컬 버퍼: 디바이스들의 작은 메모리
SECTION 3.2 메모리
3.2.1 메모리 계층
※ 로딩중: 하드디스크 → RAM으로 전송중
1) 레지스터
CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성
2) 캐시
L1, L2 (L3) 캐시, 휘발성, 병목 현상 줄이는 메모리
지역성
✏️ 캐시히트
데이터가 캐시에 있을 때, 제어장치에서 데이터 가져옴(CPU 내부 버스)
※ 캐시매핑: 캐시가 히트되기 위해 매핑
| 이름 | 설명 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|
| 직접 매핑 | 1:1~10, 2:1~20 | 빠름 | 충돌 잦음 |
| 연관 매핑 | 순서 일치x | 느림 | 충돌 적음 |
| 집합 연관 매핑 | 순서 일치&블록화 | 검색 효율 | x |
※ 웹 브라우저 캐시
| 이름 | 설명 |
|---|---|
| 쿠키 | 만료기한이 있는 키-값 |
| 로컬 스토리지 | 만료기한이 있는 키-값, 닫아도 유지 |
| 세션 스토리지 | 만료기한이 있는 키-값, 닫을 때 삭제 |
✏️ 캐시미스
데이터가 캐시에 없을 때, 메모리에서 데이터 가져옴(시스템 버스)
3) 주기억장치
RAM, 휘발성
4) 보조기억장치
HDD, SSD, 비휘발성
3.2.2 메모리 관리
1) 가상 메모리
- 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환
- 페이지 테이블로 관리됨
- TLB: 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시, 페이지 테이블에 있는 리스트 보관, 속도 향상
✏️ 스와핑
가상 메모리에는 존재하지만 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 때
당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것
✏️ 페이지 폴트
- CPU가 물리 메모리 확인 → 해당 페이지 없으면 트랩, 운영체제에 알림
- 운영체제가 CPU 잠시 멈춤
- 가상 메모리에 페이지 존재 확인 → 없으면 중단, 물리 메모리에서 찾음 → 없으면 스와핑
- 비어 있는 프레임에 해당 페이지 로드, 페이지 테이블 최신화
- CPU 다시 시작
2) 스레싱
메모리의 페이지 폴트율이 높은 것, 성능 저하
해결 방법: 메모리 늘리거나, HDD → SSD, 작업 세트, PFF
✏️ 작업 세트
지역성으로 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드
장점: 탐색 비용↓, 스와핑↓
✏️ PFF
페이지 폴트 빈도 조절, 상한선•하한선
3) 메모리 할당
✏️ 연속 할당
1. 고정 분할 방식
메모리 미리 나눔, 융통성x, 내부 단편화(작은 공간들이 많이 낭비되는 것)
2. 가변 분할 방식
프로그램 크기에 맞게 동적으로 메모리 나눔, 외부 단편화(작업보다 큰 공간이 남아도 나눠져 있어서 못 들어가는 것)
| 이름 | 설명 |
|---|---|
| 최초적합 | 한쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당 |
| 최적적합 | 적합한 크기 중 가장 작은 홀부터 할당 |
| 최악적합 | 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당 |
✏️ 불연속 할당(현대)
1. 페이징
동일한 페이지 단위, 다른 위치에 할당
장점: 홀 크기 균일
단점: 주소 변환 복잡
2. 세그멘테이션
세그먼트로 나눔, 코드•데이터•작은 함수 등으로 나눌 수 있음
장점: 공유, 보안 좋음
단점: 홀 크기 다름
3. 페이지드 세그멘테이션
프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눔 + 동일한 크기의 페이지 단위로 나눔
4) 페이지 교체 알고리즘
✏️ 오프라인 알고리즘
- 미래의 것과 교체, 가장 좋고 이상적임
- 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 상한기준 제공
✏️ FIFO
- First In First Out
- 가장 먼저 온 페이지 교체
✏️ LRU
- Lest Recentle Used
- 참조가 가장 오래된 페이지 교체
- 계수기, 스택 두어야 함
✏️ NUR
- Not Used Recently
- 참조되지 않은 페이지 교체
✏️ LFU
- Least Frequently Used
- 가장 참조 횟수가 적은 페이지 교체
SECTION 3.3 프로세스와 스레드
프로세스: 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램(=task)
스레드: 프로세스 내 작업의 흐름
3.3.1 프로세스와 컴파일 과정
프로세스(구글 크롬): 프로그램(chrome.exe)이 메모리에 올라가 인스턴스화 된 것
※ 과정(c언어)
✏️ 전처리
주석 제거, 헤더 파일 병합, 메크로 치환
✏️ 컴파일러
오류 처리, 코드 최적화 작업, 어셈블리어로 변환
✏️ 어셈블러
어셈블리어는 목적 코드로 변환, 확장자 변환
✏️ 링커
함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듦, 확장자는 .exe 또는 .out
3.3.2 프로세스의 상태
| 상태 | 설명 |
|---|---|
| 생성 상태 | 프로세스가 생성된 상태, fork(), exec() |
| 대기 상태 | 메모리 공간 충분 → 메모리 할당 / x → 대기, CPU 소유권 기다림 |
| 대기 중단 상태 | 메모리 부족으로 일시 중단 |
| 실행 상태 | CPU 소유권과 메모리 할당 받음, 인스트럭션 수행 중 |
| 중단 상태 | 프로세스 차단된 상태, I/O 디바이스에 의한 인터럽트 |
| 일시 중단 상태 | 대기 중단 유사, 메모리 부족 |
| 종료 상태 | 메모리와 CPU 소유권 모두 놓고 감 |
3.3.3 프로세스의 메모리 구조
✏️ 동적 영역(스택, 힙)
스택: 메모리 영역, 특징 정보 계속 저장
힙: 변수 담음
✏️ 정적 영역(데이터 영역, 코드 영역)
컴파일 단계에서 메모리 할당 데이터 영역: BSS segment(0), Data segment(0 아닌 값), code/text segment(프로그램 코드)
3.3.4 PCB
- Process Control Block
- 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터
- 중요한 정보, 커널 스택의 가장 앞부분
✏️ PCB 구조
- 프로세스 스케줄링 상태: 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
- 프로세스 ID
- 프로세스 권한
- 프로그램 카운터
- CPU 레지스터
- CPU 스케줄링 정보: 중단된 시간 등
- 계정 정보: CPU 사용량, 유저 정보
- I/O 상태 정보
✏️ 컨텍스트 스위칭
- PCB를 교환하는 과정
- 싱글코어: 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 한 개
- 동시x, 컨텍스트 스위칭이 아주 빠르게 실행됨
- A가 실행하다 멈춤
- A의 PCB를 저장하고 다시 B를 로드하여 실행
- 유휴 시간, 비용(캐시미스) 발생
3.3.5 멀티프로세싱
- 여러 개의 ‘프로세스’로 두 가지 이상의 일 수행 가능
- 병렬로 처리
- 장점: 하나 문제 발생돼도 다른 프로세스에서 처리 가능, 신뢰성↑
웹 브라우저
- 브라우저 프로세스: 네트워크 요청이나 파일 접근(주소 표시줄, 북마크 막대, 이전 버튼)
- 렌더러 프로세스: ‘보이는’ 모든 부분
- 플러그인 프로세스: 플러그인 제어
- GPU 프로세스: GPU 제어
IPC
- Inter Process Communication
- 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
- 클라: 데이터 요청 / 서버: 데이터 응답
- 공유 스레드보다 속도 떨어짐
- 6종류
✏️ 1. 공유 메모리
- 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한 부여
- 메모리 자체 공유 → 불필요한 데이터 복사의 오버헤드x
- 가장 빠름, 동기화 필요
✏️ 2. 파일
- 디스크에 저장된 데이터, 파일 서버에서 제공한 데이터
✏️ 3. 소켓
- 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터
- TCP, UDP
✏️ 4. 익명 파이프
- FIFO 방식
- 파이프: 임시 공간
- 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프
✏️ 5. 명명된 파이프
- 단방향, 양방향 파이프
- 여러 파이프 동시에 사용 가능
✏️ 6. 메시지 큐
- 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리
- 커널에서 전역적으로 관리됨
- 직관적, 코드 수정x
3.3.6 스레드와 멀티스레딩
스레드
- 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
- 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음
멀티스레딩
- 스레드끼리 서로 자원 공유, 효율성↑
- 한 스레드가 중단돼도 다른 스레드 실행 가능, 영향은 줄 수 있음
3.3.7 공유 자원과 임계 영역
공유자원
- 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모든 자원이나 변수
- 경쟁 상태: 여러개의 프로세스가 동시에 접근하는 상태
- 타이밍, 순서가 영향 줌
임계 영역
- 동시에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역
- 3가지 방법(뮤텍스, 세마포어, 모니터)
- 3가지 조건(상호 배제, 한정 대기, 융통성)
✏️ 1. 뮤텍스
- 공유자원을 lock()을 통해 잠금 설정
- 사용한 후에는 unlock()을 동해 잠금 해제
- 잠긴 코드 영역에 접근x
✏️ 2. 세마포어
- 일반화된 뮤텍스
- wait(): 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
- signal(): 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
✏️ 3. 모니터
- 공유자원을 숨기고, 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
3.3.8 교착 상태
- 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
원인
- 상호 배제: 자원 독점, 다른 건 접근 불가능ㅋ
- 점유 대기: 다른 프로세스가 요청하는 상태
- 비선점: 자원 강제적으로 가져오는 거 불가능
- 환형 대기: 서로의 자원을 요구하는 상황
해결 방법
1. 애초에 조건이 성립되지 않게 설계 2. 교착 상태 가능성이 없을 떄만 자원 할당, 은행원 알고리즘 3. 사이클 있는지 찾아보고 하나씩 지움 4. 처리 비용이 크기 때문에 사용자가 작업 종료(‘응답 없음’)
SECTION 3.4 CPU 스케줄링 알고리즘
3.4.1 비선점형 방식
- 프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식(강제X)
- 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하 적음
FCFS
- First Come, First Served
- 단점: 준비 큐에서 오래 기다리는 현상
SJF
- Shortest Job First
- 단점: 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상
- 장점: 평균 대기 시간 가장 짧음
우선순위
- aging: 오래된 작업일수록 우선순위 높임
3.4.2 선점형 방식
- 현재 채택한 방식
- 강제 중단, 다른 프로세스에 CPU 소유권 할당
우선순위
- 현대에 사용 중
- 동일한 할당 시간, 끝나지 않으면 다시 준비 큐
- 할당시간 너무 크면 FCFS, 너무 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아짐
SRF
- 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행 바꿈
다단계 큐
- 우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용
- 큐마다 다른 알고리즘
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