CS | Operating System (운영체제)

Operating System

 

운영체제 정의

• 하드웨어(CPU, 메모리, 디스크 등) 관리
• 응용 프로그램과 하드웨어 사이에서 인터페이스 역할을 하는 시스템 소프트웨어

프로세스 vs 스레드

 

프로세스

• 실행중인 프로그램으로 OS로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받아 실행, 코드/데이터/스택/힙 메모리 영역을 가짐

스레드

• 프로세스의 독립적인 실행 단위로 프로세스로부터 자원을 할당받아 실행, 프로세스의 코드/데이터/힙 메모리 영역을 공유하고 개별적인 스택을 가짐
• cf. Java-Thread: JVM에 의해 스케쥴되는 실행 단위 코드 블럭

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 생성 과정

1. 프로세스 관리 정보를 갖는 PCB를 생성하고 프로그램의 코드를 읽어 들여 코드 영역을 메모리에 할당
2. 초기화된 전역 변수 및 static 변수인 데이터 영역을 메모리에 할당
3. 힙과 스택의 초기 메모리 주소를 초기화
4. Queue에서 프로세스가 등록되고 운영체제가 CPU를 할당하기를 대기

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

• 프로세스 관리 정보를 저장하는 커널의 자료구조 (Data 영역에 존재)
• 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB 를 생성
• Process 상태, PC(다음에 수행할 명령어의 주소), CPU 레지스터, CPU 스케줄링 정보, 메모리 관리 정보 등을 저장
• 문맥 교환 시에 진행 사항을 PCB에 저장하고 CPU 반환 -> CPU를 할당받으면 PCB에 저장되어 있는 내용을 불러와 이전에 종료되었던 시점부터 다시 수행

문맥 교환 (Context Switching)

과정

1. 실행 중이던 프로세스의 상태(문맥)를 PCB에 보관
2. 새로운 프로세스의 PCB에서 문맥을 복원해 레지스터에 적재
3. 새로운 프로세스 실행
   • 프로세스 사이에서 CPU 제어권이 이동되는 것
   • 실행 중이던 프로세스를 중단하고 다른 프로세스를 실행할 때 발생
   • Context: CPU에서 프로세스 실행시 필요한 프로세스의 정보(각 프로세스의 PCB에 저장)
   • 멀티 스레드에서는 문맥 교환 시 스택 영역을 제외한 모든 영역을 공유하기 때문에 문맥 교환 비용이 훨씬 적음

레지스터 (register)

• CPU 에서 처리할 명령어나 연산의 중간 결과값 등을 일시적으로 기억하는 임시 기억 장소
• CPU 기억 장치들 중에서 속도가 가장 빨라 연산 속도를 향상하기 위해서 사용
• 레지스터에 새로운 데이터가 전송되면, 기존에 있던 내용은 지워지고 새로운 내용만 기억

1. •  

 

멀티 스레드 vs 멀티 프로세스

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 공유해 메모리를 적게 차지하고 공유 메모리가 없어도 통신 가능
• 문맥 교환 비용 적음
• 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 감소함으로서 자원을 효율적으로 관리

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)
• 많은 메모리 공간을 차지

그래서 멀티 스레드 vs 멀티 프로세스 무엇이 더 나은가?

• 멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 안고 있다.
• 반면 멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재한다.

이 두 가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.

 

인터럽트

프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생할 경우 현재 실행 중인 작업을 즉시 중단하고, 발생된 상황을 우선 처리한 후 실행 중이던 작업으로 복귀하여 계속 처리하는 것

 

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

 

교착 상태 (Deadlock)

둘 이상의 프로세스/스레드가 자원을 점유한 상태에서 서로 다른 프로세스/스레드가 점유하고 있는 자원을 요구하며 무한정 기다리는 현상

발생 조건 -> 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

해결 방법

• 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
• 무시: 그냥 무시

 

기아 상태 (Starvation)

여러 프로세스가 부족한 자원을 점유하기 위해 경쟁할 때, 특정 프로세스에 영원히 자원 할당이 되지 않는 경우

해결 방법

• 프로세스의 우선 순위 변경
• 요청을 순서대로 처리하는 요청 큐 사용

 

가상 메모리

프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법

• 프로그램이 물리 메모리보다 커도 된다
• 실제 프로그램 전체를 적재하여 사용하지 않고 일부분만 적재하기 때문에 메모리 제약을 극복
• 메모리의 실제 주소를 사용하지 않으므로 보안 상의 장점이 존재

 

Fragmentation(단편화)

프로세스들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다보면, 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용 하지 못할 만큼의 작은 자유공간들이 늘어나게 되는데, 이것이 단편화 이다.

• 외부 단편화: 메모리 공간 중 사용하지 못하게 되는 일부분. 물리 메모리(RAM)에서 사이사이 남는 공간들을 모두 합치면 충분한 공간이 되는 부분들이 분산되어 있을때 발생한다고 볼 수 있다.
• 내부 단편화: 프로세스가 사용하는 메모리 공간 에 포함된 남는 부분. 예를들어 메모리 분할 자유 공간이 10,000B 있고 Process A 가 9,998B 사용하게되면 2B 라는 차이 가 존재하고, 이 현상을 내부 단편화라 칭한다.

 

Paging(페이징)

메모리에 불연속적으로 할당하는 방법 중 하나로 프로세스를 일정 크기인 페이지로 잘라서 가상 메모리에 적재하고 페이지 테이블을 이용하여 프레임으로 변환하여 가상 메모리를 관리하는 기법
현대 운영체제에서 사용되는 메모리 할당 기법

• 내부 단편화가 발생할 수 있음

페이지: 가상 메모리를 최소 단위로 쪼개어 만든 일정한 크기의 블럭

프레임: 물리 메모리에 페이지 크기와 같은 블럭으로 나눈 블럭

 

Segmentation(세그멘테이션)

메모리에 불연속적으로 할당하는 방법 중 하나로 프로세스를 서로 다른 크기의 논리적 단위인 세그먼트로 나누어 메모리에 배치하는 것

• 메모리를 세그먼트로 나누고 세그먼트 테이블에 각 세그먼트의 시작(base) 주소와 크기(limit) 정보를 운용하여 가상 메모리를 관리하는 기법
• 외부 단편화가 발생할 수 있음

페이지 교체 알고리즘

FIFO 페이지 교체

가장 간단한 페이지 교체 알고리즘으로 FIFO(first-in first-out)의 흐름을 가진다.

• 먼저 물리 메모리에 들어온 페이지 순서대로 페이지 교체 시점에 먼저 나가게 된다는 것이다.
• 오래된 페이지도 필요한 정보를 포함하고 있을 수 있기 때문에 오래된 페이지라는 이유 만으로 필요한 정보가 쉽게 사라지는 부작용을 초래할 수 있다.(초기 변수 등)
• 처음부터 활발하게 사용되는 페이지를 교체해서 페이지 부재율을 높이는 부작용을 초래할 수 있다.

Belady의 모순: 페이지를 저장할 수 있는 페이지 프레임의 갯수를 늘려도 되려 페이지 부재가 더 많이 발생하는 모순이 존재한다.

최적 페이지 교체(Optimal Page Replacement)

가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 찾아 교체하는 것이다.

• 주로 비교 연구 목적을 위해 사용한다.
• 알고리즘 중 가장 낮은 페이지 부재율을 보장한다.
• 구현의 어려움이 있다. 모든 프로세스의 메모리 참조의 계획을 미리 파악할 방법이 없기 때문이다.

LRU 페이지 교체(LRU Page Replacement)

LRU: Least-Recently-Used

• 최적 알고리즘의 근사 알고리즘으로, 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택하여 교체한다.

LFU 페이지 교체(LFU Page Replacement)

LFU: Least Frequently Used

• 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 방법이다.
• 활발하게 사용되는 페이지는 참조 횟수가 많아질 거라는 가정에서 만들어진 알고리즘이다.
• 어떤 프로세스가 특정 페이지를 집중적으로 사용하다, 다른 기능을 사용하게되면 더 이상 사용하지 않아도 계속 메모리에 머물게 되어 초기 가정에 어긋나는 시점이 발생할 수 있다

MFU 페이지 교체(MFU Page Replacement)

MFU: Most Frequently Used

• 참조 회수가 가장 작은 페이지가 최근에 메모리에 올라왔고, 앞으로 계속 사용될 것이라는 가정에 기반한다.