운영체제 정의
- 하드웨어(CPU, 메모리, 디스크 등)를 관리
응용 프로그램과 하드웨어 사이에서 인터페이스 역할을 하는 시스템 소프트웨어- 시스템의 자원과 동작을 관리하는 소프트웨어
- 프로세스, 저장장치, 네트워킹, 사용자, 하드웨어 관리
프로세스와 스레드의 차이
- 프로세스는
실행중인 프로그램으로 OS로부터 자원을 할당받아 실행,코드/데이터/스택/힙메모리 영역을 가짐 프로세스의 독립적인 실행 단위로 프로세스로부터 자원을 할당받아 실행, 프로세스의코드/데이터/힙메모리 영역을 공유하고개별적인 스택을 가짐
스레드가 개별적인 스택을 가지는 이유
- 스택에는 함수 호출 시의 전달인자, 지역 변수, 되돌아갈 주소 등을 저장
- 독립적인 스택을 갖는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하고 독립적인 실행 흐름을 추가할 수 있다는 것을 의미
스레드가 PC 레지스터를 가지는 이유
- 스레드는 CPU를 할당/반납하고를 반복
- 이전까지의 수행 내역을 기억하기 위해 독립적인 PC 사용
프로세스 메모리 구성
- 코드: 프로그램의 코드 저장
- 데이터: 전역 변수, 정적 변수 저장
- 스택: 지역 변수, 매개 변수, 함수의 호출과 할당,
컴파일에 크기 결정 - 힙: 동적으로 할당 및 해제,
런 타임에 크기 결정
힙과 스택의 차이
- 힙: 프로그램 코드에서
동적으로 할당하여 사용되는 메모리 영역 - 스택:
함수를 호출할 때나지역변수를 지정할 때자동으로 할당되는 메모리 영역
스택의 장점과 단점
- 장점: 자동으로 처리되기 때문에
낭비되는 공간이 없고사용하기가 편리 - 단점: 한계가 있어 한계를 초과하도록 삽입할 수 없고
유연성이 부족
힙의 장점과 단점
- 장점: 프로그램에 필요한 개체의 개수나 크기를 미리 알 수 없는 경우 사용하고 개체가 너무 커서 스택 할당자에 맞지 않는 경우 사용 가능
- 단점:
할당/해제 작업으로 인한 속도 저하
프로세스 생성과정
- 프로세스 관리 정보를 갖는
Process Control Block를 생성하고 프로그램의 코드를 읽어 들여코드 영역을 메모리에 할당 - 초기화된 전역 변수 및 static 변수인
데이터 영역을 메모리에 할당 힙과 스택의 초기 메모리 주소를 초기화Queue에서 프로세스가 등록되고 운영체제가 CPU를 할당하기를 대기
PCB (Process Control Block)
프로세스 관리 정보를 저장하는 커널의 자료구조 (Data 영역에 존재)- Process 상태, PC(다음에 수행할 명령어의 주소), CPU 레지스터, CPU 스케줄링 정보, 메모리 관리 정보 등을 저장
문맥 교환시에 진행 사항을 PCB에 저장하고 CPU 반환 -> CPU를 할당받으면 PCB에 저장되어 있는 내용을 불러와 이전에 종료되었던 시점부터 다시 수행
문맥 교환 (Context Switching)
- 실행 중이던 프로세스를 중단하고 다른 프로세스를 실행할 때 발생
- 프로세스 사이에서
CPU 제어권이 이동되는 것 - 문맥: CPU에서 프로세스를 실행하는데 필요한 프로세스의 정보, 각 프로세스의
PCB에 저장 - 멀티 스레드에서는 문맥 교환 시 스택 영역을 제외한 모든 영역을 공유하기 때문에 문맥 교환 비용이 훨씬 적음
- 과정
- 실행 중이던 프로세스의
상태(문맥)를 PCB에 보관 - 새로운 프로세스의
PCB에서 문맥(Context)을 복원해 레지스터에 적재 - 새로운 프로세스 실행
- 실행 중이던 프로세스의
인터럽트
- 프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생할 경우
현재 실행 중인 작업을 즉시 중단하고,발생된 상황을 우선 처리한 후실행 중이던 작업으로 복귀하여 계속 처리하는 것 - 문맥 교환을 구현할 때
Timer Interrupt를 통해서 제어권을 커널이 가져올 수 있도록 활용
멀티 프로세스
- 여러
프로세서(CPU)가 여러 작업(Task)을 동시에 처리하는 것 (병렬 처리) 안전성: 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행- 통신 비용/문맥 교환
비용이 큼- CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행 가능 -> 여러 프로세스를 돌아가면서 실행
- IPC (Inter Process Communication): 프로세스 간의 통신을 하는 것
- 파일 공유, 커널 영역 이용(메시지 큐, 공유 메모리, 소켓 등)
- IPC (Inter Process Communication): 프로세스 간의 통신을 하는 것
- CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행 가능 -> 여러 프로세스를 돌아가면서 실행
많은 메모리 공간을 차지
멀티 스레드
- 하나의 프로세스에 여러 스레드가 자원을 공유하며 작업을 나누어 하는 것
안전성 낮음: 하나의 스레드의 비정상적인 활동은 전체 스레드에 영향을 끼칠 수 있음- 통신 비용 적음
코드/데이터/힙 영역을 공유해메모리를 적게 차지하고 공유 메모리가 없어도 통신 가능
- 문맥 교환 비용 적음
- 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 감소함으로서
자원을 효율적으로 관리
Thread Safe
- 멀티 스레딩에서 하나의 자원에 여러 스레드가 동시에 접근해도 프로그램 실행의 문제가 없는 상태
- Thread Safe한 코드:
Critical Section을 통해 스레드 내부에서 처리되는 연산들을직렬화(Serialize)하여 한 번에 한 스레드에서 연산이 수행
병렬성과 동시성의 차이
- 병렬성:
멀티 코어에서의 멀티 스레드, 각 코어들의 스레드가 동시에 실행 - 동시성:
싱글 코어에서의 멀티 스레드, 여러 개의 스레드가 번갈아가며 실행
Critical Section(공유 자원, 임계 영역)
- 동일한 자원에 동시에 접근하는 경우가 발생하는 코드 영역
- 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 구역
Race Condition
- 공유 자원에 여러 프로세스/스레드가 접근할 경우
접근 순서에 따라 결과가 달라지는 현상
뮤텍스와 세마포어
상호 배제를 달성하는 기법- 상호 배제: 둘 이상의 프로세스/스레드가 동시에 임계 영역에 진입하는 것을 방지하기 위해 사용하는 알고리즘
- 상호 배제만 필요하면 뮤텍스, 실행 순서 동기화 또는 두개 이상의 프로세스/스레드가 접근해야 되면 세마포어를 사용
동기화 대상이 1개일 때 사용 -> 1개 프로세스/스레드만 접근 가능바이너리 세마포어와 비슷함
- 자원 소유 가능:
락을 소유한 스레드만이 락을 반환할 수 있음 Deadlock이 발생할 수 있음
동기화 대상이 여러 개일 때 사용 ->세마포어 변수(Counter)만큼의 프로세스/스레드 접근 가능- 1: 바이너리 세마포어
- 2 이상: 카운팅 세마포어
- Signaling mechanism
- wait(): 세마포어 변수 1감소 -> Critical Section -> signal(): 세마포어 변수 1증가
- 자원 소유 불가: wait()와 signal()을 호출하는 존재가 다를 수 있음
Deadlock이 발생할 수 있음
교착 상태(Deadlock) 정의와 발생 조건, 해결 방법
- 둘 이상의 프로세스/스레드가 자원을 점유한 상태에서 서로 다른 프로세스/스레드가 점유하고 있는 자원을 요구하며
무한정 기다리는현상
-> 4가지 조건을 모두 만족해야 됨
- 상호 배제: 하나의 프로세스/스레드가 자원에 접근할 수 있음
- 비선점: 다른 프로세스/스레드의 자원을 뺏을 수 없음
- 점유와 대기: 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다림
- 순환 대기: 순환 형태로 자원을 대기
- 모든 프로세스가
lock을 잡는 순서를 동일하게 코딩 trylock을 활용하여 lock을 선점한 프로세스/스레드가 없을 때만 락을 얻으려고 시도하는 방법
- 예방: 4가지 조건 중 1개 이상이 만족하지 않도록 함
- 상호 배제 부정: 여러 프로세스가 공유 자원을 사용하도록 함
- 점유와 대기 부정: 프로세스가 실행되기 전 필요한 모든 자원을 할당
- 비선점 부정: 자원을 점유 중인 프로세스가 다른 자원을 요구할 때, 점유 중인 자원을 반납하고 대기
- 순환 대기 부정: 자원에 고유한 번호를 할당하고, 번호 순서대로 자원을 요구하도록 함
- 회피: 교착상태가 발생하지 않도록 알고리즘 작성
은행원 알고리즘: 어떤 자원을 할당하기 전에 할당 후에도 안정 상태로 있을 수 있는지 검사 후 할당
- 회복: 교착 상태 발생 후, 해당 프로세스를 종료하거나 할당된 자원을 해제 또는 선점하여 해결
- 선점할 경우,
기아 상태가 발생하지 않도록 해야 함
- 선점할 경우,
- 무시: 그냥 무시
기아 상태(Starvation) 정의와 해결방법
- 여러 프로세스가 부족한 자원을 점유하기 위해 경쟁할 때,
특정 프로세스에 영원히 자원 할당이 되지 않는 경우
- 프로세스의 우선 순위 변경
- 요청을 순서대로 처리하는 요청 큐 사용
5명의 철학자가 원형 식탁에서 식사를 한다. <br>
젓가락은 다섯개 뿐이며, 철학자는 반드시 두 젓가락이 있어야 식사를 할 수 있다. <br>
철학자는 반드시 자신의 왼쪽 또는 오른쪽에 있는 젓가락만 사용할 수 있으며, 식사를 마친 후에는 두 젓가락을 모두 내려놓는다.
- 모든 사람이 왼쪽의 젓가락을 잡으면
교착상태발생 -> 무한히 대기하다가기아상태발생
- 최대 4명의 철학자만 테이블에 동시에 앉을 수 있도록 한다.
- 한 철학자가 젓가락 두 개를 한번에 집을 수 있을 때만 집는다.
- 비대칭 해결안을 사용. 홀수 번호의 철학자는 왼쪽을 먼저 집고 오른쪽을 집는다. 짝수 번호는 오른쪽을 먼저 집고 왼쪽을 집는다.
동기와 비동기 (Synchronous and Asynchronous)
블락킹과 논블락킹
동기/비동기와 블락킹/논블락킹
CPU 스케줄링 알고리즘
- 선점형 CPU 스케줄링 알고리즘
남은 시간이 가장 적은프로세스를 실행
- 선점형 CPU 스케줄링 알고리즘
Time Slice단위로 공평하게 프로세스 실행- 할당된 시간 내에 끝나지 않으면 다음 프로세스에게 CPU를 양보하고 준비 상태 큐의 가장 뒤로 배치
- 선점형 CPU 스케줄링 알고리즘
- 우선 순위 개수만큼 Queue가 있으며 최상위 순위의 Queue부터 실행 후 해당 큐의 할당량이 끝나면 하위 우선 순위 Queue를 실행하는 스케줄링 기법
- 처음 시작은 모든 프로세스가 가장 높은 우선 순위 Queue에 존재하나 할당된 Time Slice를 소진하면 우선 순위를 감소시켜서 우선 순위 결정
Aging: 일정 주기마다 모든 작업을 가장 높은 우선 순위 큐로 이동시켜서 Starvation 방지
메모리 계층 구조
- 레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리로 속도가 매우 빠르나 휘발성이 높고 용량이 매우 작음
- 캐시: L1, L2, L3 캐시를 지칭하는데 레지스터 보다 정도가 낮지만 속도가 매우 빠르나 휘발성이 높고 용량이 매우 작음
- 주기억장치: RAM을 지칭하는데 일반적인 속도와 휘빌성 그리고 적당한 용량을 가짐
- 보조기억장치: HDD, SSD를 지칭하는데 비휘발성이고 속도가 느리고 용량이 많음
캐시 매핑
캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법
- 직접 매핑: 메모리가 1
100이 있고 캐시가 110이 있다면 1:110, 2:120 같은 방식으로 매핑하는 것으로 처리가 빠르지만 충돌이 잦음 - 연관 매핑: 순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑하는 방법으로 충돌지 적지만 모든 블록을 탐색해야하여 속도가 느림
- 집합 연관 매핑: 메모리가 1
100이 있고 캐시 110이 있다면 캐시 15에는 메모리 150의 데이터를 무작위로 저장하는 것과 같은 방식으로 매핑하는 것으로 직접 매핑가 연관 매핑을 합쳐서 순서를 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화하여 검색이 좀 더 효율적
캐시의 지역성
- 시간 지역성:
최근에 참조된 주소가 다시 참조되는 특성 (순환, 재귀) - 공간 지역성: 참조된 주소와
인접한주소가 다시 참조되는 특성 (배열)
가상 메모리
세그멘테이션
- 메모리에 불연속적으로 할당하는 방법 중 하나로 프로세스를 서로 다른 크기의 논리적 단위인
세그먼트로 나누어 메모리에 배치하는 것 - 메모리를 세그먼트로 나누고
세그먼트 테이블에 각 세그먼트의시작(base) 주소와크기(limit)정보를 운용하여 가상 메모리를 관리하는 기법 - 작은 메모리가 중간 중간 존재하여 총 메모리는 충분하지만 실제로는 할당할 수 없는 상황인
외부 단편화가 발생할 수 있음
페이징
- 메모리에 불연속적으로 할당하는 방법 중 하나로 프로세스를
일정 크기인 페이지로 잘라서 가상 메모리에 적재하고페이지 테이블을 이용하여 프레임으로 변환하여 가상 메모리를 관리하는 기법 - 현대 운영체제에서 사용되는 메모리 할당 기법
- CPU가 가상 주소 접근 시 MMU가 페이지 테이블의
시작(base) 주소에 접근해서 물리주소 가져옴 - 메모리를 할당할 때 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리가 할당되어서 프로세스에서 사용하는 메모리 공간이 낭비 되는 현상인
내부 단편화가 발생할 수 있음 - 페이지:
가상 메모리를 최소 단위로 쪼개어 만든일정한크기의 블럭 - 프레임:
물리 메모리에 페이지 크기와 같은 블럭으로 나눈 블럭
페이지 테이블, TLB (Translation Lookaside Buffer)
- 가상 주소로 물리 주소에 접근할 때,
TLB -> 페이지 테이블 -> Disk순으로 접근
- MMU는 TLB 캐시를 저장해 가상주소가 물리 주소로 변환되어야할 때,
TLB에서 먼저 검색 - 해당 주소가 있다면:
TLB Hit-> 물리 주소가 반환되고 메모리에 접근 - 해당 주소가 없다면:
TLB Miss->페이지 테이블에서 페이지와 프레임의 맵핑 탐색 - 해당 주소가 있다면:
페이지 테이블 Hit-> 이 값을 다시 TLB에 쓰고 물리 주소로 변환 후 메모리에 접근 - 해당 주소가 없다면:
Page Fault->Disk에서 찾아 이 값을 페이지 테이블과 TLB에 쓰고 물리 주소로 메모리에 접근
페이지 교체 알고리즘
컴퓨터가 부팅되는 과정
- 처음에 부팅이 되면
BIOS가 실행 될 수 있도록메모리의 0번지에는 ROM이 올라와있고,CPU는 0번지를 읽어자동으로 ROM의 BIOS가 실행 BIOS는 하드디스크의 0번지 부터 한 섹터를 읽어와 거기에 있는 부트스트랩 코드를 실행- 부트스트랩이
부트로더(bootcamp, grub)를 실행시키고 그 다음 커널이 로드
심볼릭 링크와 하드 링크의 차이
- 심볼릭 링크(소프트 링크): 원본 파일의 이름을 가리키는 링크, 원본 파일이 사라지면 역할 수행X
- 하드 링크: 원본 파일의 이름을 가리키는 링크, 사본을 생성, 원본파일이 사라져도 원본과 동일한 내용의 파일을 가질 수 있음을 의미