[CS] 운영체제 기초 지식 정리(1/3)

운영체제

운영체제란?

• 하드웨어 위에 설치되어 하드웨어 계층과 다른 소프트웨어 계층을 연결하는 소프트웨어 계층.
• 컴퓨터 시스템의 자원을 관리하고, 사용자가 컴퓨터를 사용할 수 있는 환경을 제공하는 역할을 수행.

운영체제 목적

• 처리 능력 향상: OS는 자원 관리를 통해 일정 시간 내에 시스템이 처리하는 일의 양을 향상시킨다.
• 반환 시간 단축: OS는 사용자가 시스템에 요청한 작업을 완료할 때까지 소요되는 시간을 단축시킨다.
• 사용 가능도 향상: 사용 가능도는 시스템 자원을 얼마나 빨리 제공할 수 있는가를 의미. OS는 사용자가 컴퓨터를 사용해야 할 때 자원을 즉시 사용할 수 있게 함.
• 신뢰도 향상: 신뢰도는 시스템이 주어진 문제를 정확하게 푸는지를 의미. OS는 입력 값에 대한 정확한 결과 값을 줄 수 있도록 신뢰도를 향상해야 함.

CPU와 메모리 구조

• CPU는 컴퓨터의 뇌 역할을 하며, 컴퓨터에서 프로그램을 실행하는 데 필요한 연산을 처리하고 수행함. 다른 말로 프로세서라고도 함.
• 메모리는 데이터를 저장하기 위한 기억장치로, 휘발성 메모리인 주 기억장치와 비휘발성 메모리인 보조 기억장치가 있다.
• 주기억장치는 메인 메모리를 의미하며 일반적으로 RAM을 가리킨다. 보조 기억장치는 SSD, HDD 등이 해당.
• 메모리는 CPU에서 빨리 접근할 수 있도록 다음과 같이 계층 구조로 나뉨.
  • 레지스터: CPU가 사용자 요청을 처리하는 데 필요한 데이터를 임시로 저장하는 기억장치. CPU 내부에 존재하며 접근 속도가 빠름.
  • 캐시 메모리: CPU와 RAM 사이의 속도 차이를 해결하기 위한 기억장치. CPU 내부에 위치하며 접근 속도가 레지스터 다음으로 빠름.
  • RAM: 컴퓨터에서 프로그램을 실행할 때 필요한 정보를 저장함. CPU에서 접근 속도가 하드 디스크보다 빠르고, 휘발성 기억장치. 보통 메모리라고 할 때 RAM을 의미하는 경우가 많음.
  • 하드 디스크: 사용자가 필요한 데이터와 프로그램을 저장하고, 비휘발성 기억장치다.
• 프로그램을 실행하면 OS가 디스크에 있는 프로그램을 메모리로 로드. 메모리에 로드한 프로그램을 프로세스라고 하며, CPU가 처리. CPU는 하나의 프로세스만 처리할 수 있어서 멀티 프로세스 환경에서 OS가 스케줄링을 통해 CPU에 프로세스를 할당.

커널과 시스템 콜

• 커널은 OS의 핵심 요소로, 컴퓨터 하드웨어와 프로세스의 보안, 자원 관리, 하드웨어 추상화 같은 중요한 역할을 수행.
• 자원 관리를 위해 CPU 스케줄링, 메모리 관리, 입출력 관리, 파일 시스템 관리 등을 담당.
• 운영체제는 커널에서 관리하는 중요 자원에 사용자가 쉽게 접근하지 못하도록 커널 모드와 사용자 모드로 나뉨.
  • 커널 모드: 하드웨어에 직접 접근해 메모리, CPU와 같은 자원 사용 가능하다.
  • 사용자 모드: 커널 모드의 자원에 접근할 수 없게 제한을 둔다. 사용자 모드에서 실행된 프로세스가 자원에 접근하려면 시스템 콜을 호출해 커널에 요청해야 한다.
    • 시스템 콜
      • 사용자 모드에서 커널 모드에 접근해 필요한 기능을 수행할 수 있게 하는 시스템 함수다.
      • 커널은 시스템 콜로 받은 요청을 처리한 후 다시 시스템 콜로 결과 값을 반환한다.
      • 시스템 콜을 사용해 프로세스 제어, 파일 조작, 장치 관리, 데이터 유지 보수, 통신, 보호 가능.
      • 시스템 콜의 대표적인 예로는 프로세스를 생성하는 fork(), 부모 프로세스가 자식 프로세스의 수행을 기다리는 wait() 등이 있다.

---

프로세스

• 컴퓨터에서 실행 중인 하나의 프로그램.
• 프로그램은 특정 작업을 수행하기 위한 명령어의 집합.
• OS는 프로그램을 실행하면서 디스크에 저장된 데이터를 메모리로 로드.
• 프로세스는 OS부터 독립된 메모리 영역(콛, 데이터, 스택, 힙)을 할당받으며, 다른 프로세스의 메모리 영역에 접근할 수 없음.
• 프로세스의 메모리 영역 구조
  • 스택: 지역 변수, 함수의 매개변수, 반환되는 주소 값 등이 저장되는 영역. 높은 주소 값에서 낮은 주소 값으로 메모리가 할당되며, 영역 크기는 컴파일 때 결정됨.
  • 힙: 사용자에 의해 동적 메모리 할당이 일어나는 영역. C언어에서 malloc()으로 할당되는 영역이라고 보면 됨. 낮은 주소 값에서 높은 주소 값으로 메모리가 할당되며, 영역 크기는 런타임 때 결정됨.
  • 데이터: 전역 변수, 정적 변수, 배열, 구조체 등이 저장되는 영역. 데이터 영역은 세부적으로 BSS 영역과 데이터 영역으로 다시 나눌 수 있음.
    • BSS 영역은 초기화하지 않은 변수를 저장. 데이터 영역은 초기화한 변수를 저장.
  • 스택 영역과 힙 영역은 동적으로 메모리 할당이 가능해 두 영역 사이에 빈 메모리 공간이 존재.
  • 스택 영역은 높은 주소 값에서 낮은 주소 값 순서로 사용.
  • 힙 영역은 낮은 주소 값에서 높은 주소 값 순서로 사용.
  • 메모리 영역을 공유하기 때문에 서로의 영역을 침범하는 문제가 생길 수 있음 → 스택 영역이 힙 영역을 침범하는 경우를 스택 오버플로, 힙 영역이 스택 영역을 침범하는 경우를 힙 오버플로라고 함.
    • 오버플로우: 메모리 공간에서 할당할 수 있는 최대 범위를 넘어가는 것.
    • 언더플로우: 메모리 공간에서 할당할 수 있는 최소 범위보다 작은 것.

스레드

• 프로세스는 한 개 이상의 스레드를 갖는데, 스레드는 프로세스에서 실제로 실행되는 흐름의 단위를 의미.
• 스레드는 프로세스 안에 존재하므로 프로세스의 메모리 공간을 이용하고, 지역 변수를 저장하는 스택 영역을 할당받는다. 그리고 전역 변수를 저장하는 힙 영역은 다른 스레드와 공유한다.
• 사용자 레벨 스레드는 사용자가 라이브러리를 이용해 생성 및 관리한다.
• 커널 레벨 스레드는 커널이 스레드를 생성 및 관리한다.
• 멀티 스레드 환경에서 사용자 레벨 스레드와 커널 레벨 스레드는 다음과 같이 3가지 관계를 맺을 수 있다.
  • 다대일 모델(many-to-one model): 사용자 레벨 스레드 n개에 커널 레벨 스레드 1개가 매핑되어 사용자 레벨에서 스레드를 관리한다. 하나의 사용자 레벨 스레드에서 시스템 콜을 호출하면 나머지 사용자 레벨 스레드는 커널 레벨에 접근할 수 없으므로 멀티 코어의 병렬성을 이용할 수 없다.
  • 일대일 모델(one-to-one model): 사용자 레벨 스레드 1개에 커널 레벨 스레드 1개가 매핑된다. 이 방식은 하나의 사용자 레벨 스레드에서 시스템 콜을 호출하면 다른 사용자 레벨 스레드가 모두 실행되지 않는 다대일 모델의 단점을 해결함. 하지만 사용자 레벨 스레드 수만큼 커널 레벨 스레드가 생성되므로 성능 저하가 일어날 수 있음.
  • 다대다 모델: 사용자 레벨 스레드 n개에 커널 스레드 m개가 매핑된다. 이때 커널 레벨 스레드의 수는 사용자 레벨 스레드의 수 이하다. 이 방식은 다대일 모델과 일대일 모델의 장점을 포함하지만, 구현이 어렵다는 단점이 있다.

PCB(Process Control Block)

• OS는 프로세스를 제어하기 위해 프로세스 정보를 저장하는데, 이를 PCB라고 한다.
• PCB는 프로세스의 현재 상태, 프로세스를 나타내는 고유의 PID, 부모 프로세스의 PID, 자식 프로세스의 PID, 다음 실행할 명령어의 주소인 PC, 프로세스의 우선순위, 메모리 제한 등을 저장.

프로세스의 생성

• 새로운 프로세스는 기존 프로세스에서 fork() 함수를 호출해 생성.
• fork() 함수에는 함수를 호출한 프로세스를 복사하는 기능이 있음.
• 이때 기존 프로세스를 부모 프로세스, 복사된 프로세스를 자식 프로세스라고 함.
• 부모 프로세스에서 fork()함수를 호출하면 부모 프로세스는 자식 프로세스의 PID 값을, 자식 프로세스는 0을 반환.

프로세스 상태도

• 모든 프로세스는 CPU에 의해 생성되고 소멸하는 과정을 거침.
• 이 과정에서 프로세스는 생성, 준비, 대기, 실행, 종료라는 5가지 상태로 존재.
  • 생성 - 프로세스가 PCB를 가지고 있지만 OS로부터 승인 받기 전
  • 준비 - OS로부터 승인받은 후 준비 큐에서 CPU 할당을 기다림.
  • 실행 - 프로세스가 CPU를 할당받아 실행함.
  • 대기 - 프로세스가 입출력이나 이벤트 발생을 기다려야 해서 CPU 사용을 멈추고 기다림.
  • 종료 - 프로세스 실행을 종료함.
• 프로세스는 한 상태에서 다른 상태로 다음과 같이 변화함.
  • 생성 → 준비: 생성 상태의 프로세스가 OS로부터 승인을 받아, 준비 상태의 프로세스가 모여 있는 자료구조인 준비 큐에 추가됨.
    • 승인(admit) - CPU를 제외한 다른 자원이 준비되어 해당 프로세스가 준비 상태가 될 수 있도록 OS가 허락하는 것을 의미.
  • 준비 → 실행: 준비 큐에 있는 프로세스 중 우선순위가 높은 프로세스가 디스패치되어 실행됨.
    • 디스패치(dispatch) - 프로세스에 CPU 자원을 할당해 해당 프로세스가 준비 상태에서 실행 상태가 되는 것을 의미.
  • 실행 → 준비: CPU 독점을 방지하기 위해 타임아웃되어 준비 상태로 변경됨.
  • 실행 → 대기: 입출력 또는 이벤트 때문에 대기 상태로 변경됨.
  • 대기 → 준비: 입출력 또는 이벤트가 완료되어 준비 상태로 변경됨.
  • 실행 → 종료: 실행 중인 프로세스가 정상적으로 끝나서 종료 상태로 변경됨.

멀티 프로세스와 멀티 스레드

• 동시성
  • 하나의 코어(싱글 코어)에서 여러 작업을 번갈아 가면서 처리하는 방식.
  • CPU는 한 번에 하나의 작업만 처리할 수 있어서 여러 작업을 조금씩 돌아가면서 처리함.
  • CPU에서 여러 작업을 번갈아 가면서 처리하기 위해 처리 중인 작업을 교체하는 것을 Context Switching이라 함.
• 병렬성
  • CPU가 여러 개(멀티 코어)있어서 각 CPU에서 각 작업을 동시에 처리하는 방식
  • 물리적인 시간 관점에서 동시에 여러 작업이 처리됨.
• 멀티 프로세스
  • 응용 프로그램 하나를 여러 프로세스로 구성하는 것을 의미.
  • 멀티 프로세스 환경에서는 한 프로세스가 죽어도 다른 프로세스에 영향을 주지 않음.
  • 응용 프로그램을 프로세스 하나로 구성하는 것보다 여러 개로 구성하는 것이 안정적.
  • 시간과 메모리 공간을 많이 사용한다는 단점이 있음.
  • CPU는 하나의 작업만 처리 할 수 있으므로 여러 프로세스를 처리하려면 Context Switching 작업이 이루어져야 함. 이 때 CPU에서 기존에 처리하던 프로세스가 할당받은 메모리 영역을 다른 프로세스에서 사용할 수 있게 교체하면서 시간과 메모리가 필요한데, 이를 오버헤드라고 함.
  • 프로세스는 독립적인 메모리를 할당받음. → 프로세스 간에 공유할 자원이 있다면 IPC(Inter Process Communication)를 통해 프로세스 간에 자원을 공유해야 함. → 공유할 메모리를 직접 참조하는 것보다 비효율적.
• 멀티 스레드
  • 스레드를 여러 개 생성해 스레드들이 각자 다른 작업을 처리하는 것.
  • 스레드 간에 힙, 데이터, 코드 영역을 공유.
  • Context Switching할 때 오버헤드가 적게 발생하고 IPC를 사용하지 않아도 되어 멀티 프로세스의 단점 보완 가능.
  • 독립적인 메모리 공간을 갖는 프로세스를 여러 개 생성하는 것보다 스레드를 여러 개 생성하는 것이 자원을 효율적으로 사용 가능. → 스레드 간 자원 공유가 프로세스 간 자원 공유보다 시스템 처리 비용이 적고 프로그램 응답 시간도 단축됨.
  • 스택 영역을 다른 스레드와 함께 사용하므로 공유 자원에 대한 동기화가 필수. 스레드에 문제가 생기면 프로세스 내 다른 스레드에 영향을 미칠 수 있음.

Context Switching

• Interrupt : 입출력 관련 이벤트가 발생하거나 예외 상황이 발생할 때 이에 대응할 수 있게 CPU 에 처리를 요청하는 것
  • 인터럽드가 발생하는 경우는 입출력이 발생할 때, CPU 사용 시간이 만료되었을 때, 자식 프로세스를 생성할 때
• CPU는 하나의 프로세스만 처리할 수 있으므로 멀티 프로세스를 처리하려면 CPU 스케줄러에 의해 인터럽트가 발생하면서 Context Switching이 이뤄짐.
• Context는 CPU가 처리하는 프로세스의 정보를 의미. 즉, Context Switching은 멀티 프로세스 환경에서 CPU가 처리 중인 프로세스의 정보를 바꾸는 것.
• CPU에서 처리 중인 프로세스가 중간에 변경되어도 이전에 실행하던 코드를 이어서 실행할 수 있는 이유는 PCB에 프로그램 카운터와 스택 포인터 값이 저장되어있기 때문.
  • 프로그램 카운터 - 프로세스가 이어서 처리해야 하는 명령어의 주소 값.
  • 스택 포인터 - 스택 영역에서 데이터가 채워진 가장 높은 주소 값.

프로세스 동기화

• 경쟁상태
  • 여러 프로세스 또는 스레드에서 하나의 공유 자원에 접근하는 경우가 있는데, 이 때 자원에 접근하는 순서에 따라 결과 값이 달라질 수 있다. 이러한 현상을 공유 자원에 동시에 접근해 경쟁하는 상태라고 해서 경쟁 상태 라고 함.
• 임계 영역
  • 공유 자원에 접근할 수 있고 접근 순서에 따라 결과가 달라지는 코드 영역을 임계 영역 이라고 함.
  • 임계 영역에서 경쟁 상태가 발생하는 것을 방지하려면 여러 프로세스가 공유 자원에 접근해도 데이터의 일관성이 유지되도록 프로세스 동기화를 해야 함.
  • 임계 영역에 여러 접근이 동시에 발생하는 것을 방지하려면 다음 3가지 조건을 충족해야 함.
    • 상호배제 기법 - 어떤 프로세스가 임계 영역을 실행 중일 때 다른 프로세스가 임계 영역에 접근할 수 없음. 상호배제 기법으로는 뮤텍스와 세마포어가 있음.
    • 진행 - 임계 영역을 실행 중인 프로세스가 없을 때 다른 프로세스가 임계 영역을 실행함.
    • 한정된 대기 - 임계 영역에 접근을 요청했을 때 무한한 시간을 기다리지 않음.
• 뮤텍스
  • 락을 가진 프로세스만이 공유자원에 접근할 수 있게 하는 방법
  • 임계 영역에 접근한 프로세스가 임계 영역에 락을 건다고 해서 락킹 매커니즘 이라고도 함.
  • 임계 영역에 접근하지 못한 프로세스는 락을 얻기 위해 기다리는 동안 락이 풀렸는지 반복문을 돌면서 확인하는데 이를 바쁜 대기 의 한 종류인 스핀락이라고 함.
    • 바쁜 대기 - 프로세스가 공유 자원에 접근할 수 있는 권한을 얻을 때까지 확인하는 과정.
    • 스핀락 - 락을 얻기 위해 프로세스가 반복문을 돌면서 기다리는 것.
  • 프로세스가 대기 상태가 되지 않고 반복문을 돌면서 자원의 사용 가능 여부를 확인하므로 프로세스가 빠르게 교체될 수 있음.
• 세마포어
  • 공유 자원에 접근할 수 있는 프로세스의 수를 정해 접근을 제어하는 방법.
  • 임계 영역에 접근할 수 있는 키 n개를 지정하고 이 중 하나를 가진 프로세스만이 임계 영역에 접근하게 하는 방식. 이 방식은 공유 자원에 접근한 프로세스가 접근을 해제하면 다른 프로세스가 접근할 수 있도록 신호를 보낸다고 해서 시그널링 메커니즘 이라고도 함.
• 교착 상태
  • 상호배제 기법 때문에 2개 이상의 프로세스가 각각 자원을 가지고 있으면서 서로의 자원을 요구하며 기다리는 상태.
  • 교착 상태가 발생하는 4가지 필요 충분 조건
    • 상호 배제 - 하나의 공유 자원에 하나의 프로세스만 접근 가능.
    • 점유와 대기 - 프로세스가 최소 하나의 자원을 점유하고 있는 상태에서 추가로 다른 프로세스에서 사용 중인 자원을 점유하기 위해 대기.
    • 비선점 - 다른 프로세스에 할당된 자원을 뺏을 수 없음.
    • 환형 대기 - 프로세스가 자신의 자원을 점유하면서 앞이나 뒤에 있는 프로세스의 자원을 요구.
  • 교착 상태를 막으려면 앞의 4가지 필요 충분 조건 중에 한 가지를 제거하면 됨.
    • 상호배제 부정 - 여러 프로세스가 동시에 하나의 공유 자원을 사용할 수 있게 함.
    • 점유와 대기 부정 - 프로세스가 실행되기 전에 필요한 모든 자원을 할당함으로써 프로세스 대기를 없앰. 또는 프로세스가 자원을 점유하지 않은 상태에서만 자원을 요구하게 함.
    • 비선점 부정 - 자원을 점유한 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 점유한 자원을 반납하게 함.
    • 환형 대기 부정 - 자원을 선형 순서로 정렬해 고유 번호를 할당함. 그리고 각 프로세스에서 요구할 수 있는 번호의 방향을 정해서 한쪽 방향으로만 자원을 요구하게 함.

스레드 안전

• 멀티 스레드 환경에서 하나의 변수, 함수, 객체에 스레드 여러 개가 동시에 접근해도 문제가 없음을 의미.
• 스레드 안전을 위한 조건
  • 상호 배제
  • 원자 연산 - 공유 자원에 접근할 때 원자 연산을 이용하거나 원자적으로 정의된 연산을 이용해 연산 도중에 다른 스레드가 접근할 수 없게 함. 원자 연산이란 연산 했다 안 했다 두가지만 존재하는 연산.
  • 재지입성 - 특정 함수를 하나의 스레드에서 실행 중일 때 다른 스레드가 해당 함수를 실행해도 각 스레드에 올바른 결과가 나올 수 있게 함.
  • 스레드 지역 저장소 - 각 스레드에서만 접근할 수 있는 저장소를 사용해서 공유되는 자원을 줄여야 함.

IPC

• 프로세스 간에 자원을 공유하는 방식
• 공유 메모리
  • 프로세스 간에 공유 가능한 메모리를 구성해 자원을 공유하는 방식.
  • 여러 프로세스에서 접근할 수 있으므로 동기화 문제가 발생 가능.
• 소켓
  • 네트워크 소켓을 이용하는 프로세스 간 통신.
  • 외부시스템과도 이용 가능.
  • 클라이언트와 서버 구조로 자원을 주고 받음.
• 세마포어
  • 접근하는 프로세스를 제어해 공유자원을 관리.
• 파이프
  • FIFO 형태의 메모리인 파이프를 이용해 프로세스 간 자원을 공유하는 방식.
  • 단방향 통신만 지원함로 읽기 또는 쓰기 중 하나만 가능. 즉, 양방향 통신을 하려면 읽기 파이프와 쓰기 파이프를 각각 생성해야 함.
• 메시지 큐
  • FIFO 형태의 큐 자료구조를 사용해 프로세스 간 메시지를 주고받는 방식.

좀비 프로세스와 고아 프로세스

• 좀비 프로세스
  • 자식 프로세스가 종료되었지만 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료 상태를 회수하지 않았을 경우에 남겨진 자식 프로세스.
  • 자식 프로세스가 종료될 때 부모 프로세스에 SIGCHLD라는 시그널을 보내면 부모 프로세스에서 wait() 함수(시스템 콜)를 호출해 자식 프로세스이 상태 정보를 받고 자원 회수. 이 때 자원 회수에 실패하면 좀비 프로세스가 발생. → 좀비 프로세스가 생기면 자원이 낭비될 수 있음.
• 고아 프로세스
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스보다 먼저 종료되는 경우에 자식 프로세스
  • 자식 프로세스의 부모 PID를 init 프로세스의 PID인 1로 바꿔 줌. → 고아 프로세스의 부모 프로세스는 init 프로세스가 됨. 이후에 고아 프로세스가 작업을 종료하면 init 프로세스가 고아 프로세스의 자원을 회수해 좀비 프로세스가 되는 것을 방지 가능.