[혼공컴운] 4주차_운영체제 시작(Ch 09 ~ 11)

09-1) 운영체제를 알아야 하는 이유

• 운영체제 : 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고, 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램

  • (시스템) 자원 : 프로그램 실행에 마땅히 필요한 요소

  • 컴퓨터가 부팅될 때 메모리 내 커널 영역에 적재

    • 사용자 영역 : 사용자가 이용하는 응용 프로그램이 적재되는 영역

⇒ 메모리 공간에 주소가 겹치지 않게 프로그램 적재해 준 건? 운영체제

• 실행할 프로그램 메모리에 적재

• 실행되지 않는 프로그램 메모리에서 삭제

→ 지속적으로 메모리 자원 관리

• 응용 프로그램에 자원 효율적 분배

• 관리할 자원별로 기능이 나누어짐

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⇒ 왜 운영체제를 알아야 할까?

• 운영체제가 하드웨어를 조작하고 관리하는 기능을 제공하기 때문에 하드웨어 상에 문제가 있으면 알려줌.

  • 오류 메시지

09-2) 운영체제의 큰 그림

• 커널 : 운영체제의 핵심 서비스 담당하는 부분

  1. 자원에 접근하고 조작하는 기능

  2. 프로그램이 올바르고 안전하게 실행되게 하는 기능

• 커널에 포함되지 않는 서비스

  • 사용자 인터페이스(User Interface)

    • 그래픽 유저 인터페이스 : 그래픽 기반

    • 커맨드 라인 인터페이스 : 명령어 기반

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⇒ 운영체제는 사용자가 실행하는 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 직접 접근하는 것을 방지하여 자원 보호

• 이중 모드 : CPU가 명령어를 실행하는 모드를 사용자 모드, 커널 모드로 구분하는 방식

  • 사용자 모드 : 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드

    • 일반적인 응용 프로그램, 하드웨어 자원에 접근하는 명령어 사용할 수 없음(자원 접근 X)

  • 커널 모드 : 운영체제 서비스를 제공받을 수 있는 실행 모드

    • 커널 영역의 코드 실행, 자원에 접근하는 명령어 실행 가능

→ 플래그 레지스터 속 슈퍼바이저 플래그로 CPU가 알 수 있다.

• 시스템 호출 : 운영체제 서비스를 제공받기 위한 요청, 커널 모드로 전환

  • 소프트웨어 인터럽트

  • 시스템 호출 발생 → 작업 백업 → 커널 모드 전환 → 작업 완료 → 기존 프로그램 복귀

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운영체제의 핵심 서비스

• 프로세스 관리

• 자원 접근 및 할당

  • CPU

  • 메모리

  • 입출력장치

• 파일 시스템 관리

10-1) 프로세스 개요

• 프로세스 : 메모리에 적재되어 실행 중인 프로그램

  • 포그라운드 프로세스 : 사용자가 보는 앞에서 실행되는 프로세스

  • 백그라운드 프로세스 : 사용자가 보지 못하는 뒤편에서 실행되는 프로세스

    • 사용자와 직접 상호작용 O

    • 사용자와 직접 상호작용 X

      • 유닉스 체계 : 데몬

      • 윈도우 : 서비스

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⇒ 운영체제는 프로세스 제어 블록 (PCB)를 이용하여

• 프로세스의 실행 순서 관리

• 프로세스에 CPU를 비롯한 자원 배분

• PCB

  • 프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료 구조

  • 커널 영역에 생성

  • 프로세스 생성 시에 만들어지고 실행이 끝나면 폐기

• 프로세스 ID(PID) : 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호

• 레지스터 값 : 해당 프로세스가 실행하며 사용했던 프로그램 카운터르 비롯한 레지스터 값

• 프로세스 상태 : 현재 프로세스의 상태

• CPU 스케줄링 정보 : 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보

• 메모리 관리 정보 : 메모리에 저장된 위치(주소), 베이스 레지스터, 한계 레지스터 값, 페이지 테이블 정보

• 사용한파일과 입출력장치 목록 : 어떤 입출력장치, 어떤 파일을 사용했는지에 대한 정보

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• 문맥 교환 : 기존 프로세스의 문백을 PCB에 백업하고, 새로운 프로세스를 실행하기 위해 문맥을 PCB부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것

  • 문맥 : 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보

  • 문맥 교환은 여러 프로세스가 끊임없이 빠르게 번갈아 가며 실행되는 원리

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• 프로세스의 메모리 영역

  • 정적 할당 영역

    • 코드 영역 = 텍스트 영역 : 실행할 수 있는 기계어로 이루어진 명령어, 읽기 전용(read-only)공간

    • 데이터 영역 : 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터, 전역 변수

  • 동적 할당 영역

    • 힙 영역 : 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간

      • 할당했으면 반드시 반환해야 함 → 메무리 누수로 이어질 수 있음

    • 스택 영역 : 데이터를 일시적으로 저장하는 공간, 매개변수, 지역 변수

⇒ 힙 영역은 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소로 할당, 스택 영역은 높은 주소에서 낮은 주소로 할당

10-2) 프로세스 상태와 계층 구조

• 생성 상태 (new) : 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태. 곧바로 실행X, 준비상태로 CPU 할당 기다림

• 준비 상태(ready) : CPU를 할당받아 실행할 수 있는 상태, 자기 차례 아니라 기다리는 상태

• 디스패치 : 준비 상태 → 실행 상태

• 실행 상태(running) : CPU를 할당받아 실행중인 상태

  • 타이머 인터럽트(할당된 시간을 모두 사용)가 발생하면 → 다시 준비 상태

  • 입출력 장치 사용해서 작업이 끝날 때까지 기다려야 하면 → 대기 상태

• 대기 상태(blocked) : 입출력 장치의 작업을 기다리는 상태

  • 작업이 완료되면 → 다시 준비 상태

• 종료 상태(terminated) : 프로세스가 종료된 상태, 운영체제는 PCB와 메모리 정리함.

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⇒ 프로세스는 실행 도중 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있다.

• 부모 프로세스 : 새 프로세스를 생성한 프로세스

• 자식 프로세스 : 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스

• 각기 다른 PID, 자식 프로세스에는 부모 프로세스의 PID인 PPID가 기록되기도 함.

→ 운영체제는 계층적인 구조로 프로세스들을 관리한다.

• 데몬이나 서비스 또한 최초 프로세스의 자식 프로세스

  • 그럼 최초 서비스는 뭐야?

    • 유닉스 운영체제 : init

    • 리눅스 : systemd

    • macOS : launchd

  • 항상 PID 1번!

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• 프로세스 생성 기법

  • 시스템 호출

    • fork : 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성

    • exec : 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체

      • 자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어씀

⇒ 부모가 자식 프로세스를 실행하며 프로세스 계층 구조를 이루는 과정은 fork과 exec가 반복되는 과정

• fork 한 뒤에 exec를 호출하지 않는 경우

  • 부모 프로세스와 자식 프로세스는 같은 코드를 병행하여 실행하는 프로세스

10-3) 스레드

• 스레드 : 프로세스를 구성하는 실행의 흐름 단위

  • 하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있음

• 단일 스레드 프로세스 : 프로세스가 하나의 실행 흐름을 가지고 한 번에 하나의 부분만 실행

• 멀티 스레드 프로세스 : 프로세스를 구성하는 여려 명령어를 동시에 실행

스레드는 프로세스 내에서 각기 다른 스레드 ID, 프로그램 카운터 값을 비롯한 레지스터 값, 스택으로 구성

→ 스레드들은 실행에 필요한 최소한 정보만을 유지한 채 프로세스 자원을 공유하며 실행

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• 멀티프로세스 : 여러 프로세스를 동시에 실행하는 것

• 멀티 스레드 : 여러 스레드로 프로세스를 동시에 실행하는 것

⇒ 프로세스끼리는 기본적으로 자원을 공유하지 않지만, 스레드끼리는 같은 프로세스 내의 자원을 공유

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• 멀티 프로세스는 프로세스를 fork하여 작업을 하면 코드, 데이터, 힙 영역 등 모든 자원이 복제되어 메모리에 적재됨 → 메모리에 동일 내용들이 중복해서 존재, 낭비

  ⇒ 쓰기 시 복사기법으로 중복 저장하지 않는 방법 존재

• 멀티 스레드는 동일한 주소 공간의 코드, 데이터, 힙 영역 공유, 열린 파일과 같은 프로세스 자원 공유

  • 메모리 효율적 사용

  • 그대신 하나의 스레드에 문제가 생기면 프로세스 전체에 문제가 생길 수 있다.

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• 프로세스 간 통신(IPC) : 프로세스끼리는 기본적으로 자원을 공유하지 않지만 프로세스 간의 자원을 공유하고 데이터를 주고 받을 수 있다.

  • 파일을 통한 프로세스 간 통신

  • 공유 메모리 : 프로세스들이 공유할 수 있는 메모리 영역

  • 소켓, 파이프

11-1) CPU 스케줄링 개요

• CPU 스케줄링 : 운영체제가 프로세스에게 공정하고 합리적으로 CPU 자원을 배분

  • 우선순위

• 입출력 집중 프로세스 : 실행 상태보다는 입출력을 위한 대기 상태에 더 많이 머무름.

  • 입출력 버스트

• CPU 집중 프로세스 : 대기 상태보다는 실행 상태에 더 많이 머무름.

  • CPU 버스트

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• 스케줄링 큐 : CPU를 사용하고 싶은 프로세스들, 메모리에 적재되고 싶은 프로세스들, 특정 입출력장치를 사용하고 싶은 프로세스들을 모두 줄세우는 것.

  • 스케줄링에서의 큐는 반드시 선입선출 방식일 필요 없음.

• 준비 큐 : CPU를 이용하고 싶은 프로세스들이 서는 줄

• 대기 큐 : 입출력장치를 이용하기 위해 대기 상태에 접어든 프로세스들이 서는 줄

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• 선점형 스케줄링: 어느 하나의 프로세스가 자원 사용을 독점할 수 없다., 더 급한 프로세스가 언제든 끼어들 수 있음.

  • 오버헤드 발생할 수 있다.

• 비선점형 스케줄링: 하나의 프로세스가 자원 사용을 독점할 수 있음. 무작정 기다려야 함.

  • 모든 프로세스가 골고루 자원을 사용할 수 없다.

11-2) CPU 스케줄링 알고리즘

• 선입 선처리 스케줄링(FCFS 스케줄링) : 준비큐에 삽입된 순서대로 프로세스들을 처리하는 비선점형 스케줄링

  • 호위 효과 : 프로세스들이 기다리는 시간이 매우 길어질 수 있음.

• 최단 작업 우선 스케줄링(SJF 스케줄링) : 호위 효과 방지, 준비큐에 삽입된 프로세스들 중 CPU 이용 시간의 길이가 가장짧은 프로세스부터 실행, 비선점형 스케줄링

• 라운드 로빈 스케줄링 : 선입 선처리 스케줄링 + 타임 슬라이스, 선점형 스케줄링

  • 타임 슬라이스 : 각 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 정해진 시간 의미

    • 타임 슬라이스의 크기가 매우 중요

    • 지나치게 크면 → 호위 효과 생길 여지, 지나치게 작으면 → 문맥 교환 발생 비용

  • 정해진 시간을 모두 사용했는데 작업이 완료되지 않으면 문맥 교환으로 다시 큐의 맨 뒤에 삽입

• 최소 잔여 시간 우선 스케줄링(SRT 스케줄링) : 최단 작업 우선 스케줄링 + 라운드 로빈 알고리즘

  • 각 프로세스들이 정해진 타임 슬라이스만큼 CPU 사용하되 CPU를 사용할 다음 프로세스는 남은 시간이 가장 적은 프로세스가 선택

• 우선순위 스케줄링 : 프로세스들에 우선순위 부여, 가장 높은 우선순위부터 실행

  • 기아 현상 : 우선순위가 낮은 프로세스들은 계속 연기됨.

  • 에이징 : 기아현 상 방지, 오랫동안 대기한 프로세스의 우선순위를 점차 높이는 방식

• 다단계 큐 스케줄링 : 우선순위별로 준비 큐를 여러 개 사용하는 스케줄링

  • 큐별로 타임 슬라이스 여러 개, 다른 스케줄링 알고리즘 사용 가능

  • 프로세스들이 큐 사이를 이동 불가능

• 다단계 피드백 큐 스케줄링 : 다단계 큐와 비슷하지만 프로세스들이 큐 사이를 이동할 수 있다는 점이 차이

  • CPU를 오래 사용해야 하는 프로세스는 점차 우선순위가 낮아짐.

    • 입출력 집중 프로세스들이 자연스레 우선순위가 높은 큐에서 실행이 끝남.

  • 에이징 기법으로 기아 현상 예빵 가능

  • 가장 일반적인 CPU 스케줄링 알고리즘

숙제!

• P 304, 1번

  1. 생성 new

  2. 준비 ready

  3. 실행 running

  4. 종료 terminated

  5. 대기 blocked