운영체제 필수 지식을 정리한다.
면접을 위한 cs 전공지식노트와 유튜브 쉬운 코드 운영체제를 중심으로 다양한 레퍼런스를 참고하여 정리했다.
운영체제는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스다. 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배해준다.
운영체제와 컴퓨터
운영체제의 역할로는 CPU 스케줄링과 프로세스 관리, 메모리 관리, 디스크 파일 관리, I/O 디바이스 관리 등이 있다.
운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
- 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마나 할당할지 관리한다.
- 디스크 파일관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
- I/O 디바이스 관리: 마우스와 키보드 등 I/O 디바이스와 컴퓨터간에 데이터를 주고 받는 것을 관리한다.
운영체제의 구조
시스템 콜: 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓴다. 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다. 하나의 추상화 계층이다.
드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
컴퓨터의 요소
컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다. 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리한다.
CPU
메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼. 산술논리연산장치(논리 연산), 제어장치(Control Unit; 프로세스 조작을 지시하는 CPU 부품), 레지스터(CPU 안에 있는 매우 빠른 임시 기억장치. 메모리보다 훨씬 빠르다)로 이루어져있다.
DMA 컨트롤러
I/O 디브사이가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨 장치. CPU 보조 역할.
메모리
데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치. CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당한다. 보통 RAM을 의미한다.
타이머, 디바이스 컨트롤러
메모리
CPU는 메모리에 있는 명령어를 처리하는 역할이다.
메모리 계층
캐시
데이터를 미리 복사해 놓은 임시 저장소. 빠른 장치와 느린 장치사이에 오는 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리
캐시히트와 캐시미스
캐시에서 원하는 데이터를 찾으면 캐시히트, 찾지 못해 주 메모리로 가서 데이터를 찾으면 캐시미스라 한다.
웹 브라우저의 캐시
대표적인 캐시로는 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있다. 이러한 것들은 보통 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내거나 중복 요청 방지를 위해 쓰인다.
쿠키: 만료기한이 있는 키-값 저장소. 4KB 까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기간을 정할 수 있다.(보통 서버가 정한다)
로컬 스토리지: 만료기한이 없는 키-값 저장소. 10MB 까지 저장할 수 있으며 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성된다.
세션 스토리지: 만료기한이 없는 키-값 저장소. 5MB 까지 저장할 수 있으며 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며 탭을 닫으면 삭제된다.
데이터베이스의 캐싱 계층
데이터베이스를 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 Redis 라는 캐싱 계층을 둬서 성능을 향상 시킨다.
메모리 관리
가상 메모리
메모리 관리 기법중의 하나로 프로세스 전체가 메모리에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법. 사용자 프로그램이 물리적 메모리보다 커도 실행이 가능한 장점이 있다.
이때 가상 주소를 논리 주소라 하며 실제 주소는 물리 주소라 한다. 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 변환되며 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있다. 가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 '페이지 테이블'로 관린된다. 이 때, 속도 향상을 위해 TLB를 쓴다.
좋은 프로그램일수록, 자주 사용되지 않는 방어코드나 관리코드가 많다. 자주 사용하지 않는데 물리 메모리에 올려놓는것은 비효율적이다. 이 때문에 가상메모리가 필요하다. 메모리를 논리와 물리로 나눠 필요한 부분만 물리 메모리에 올린다.
Demand Paging: 필요한 부분만 물리 메모리에 올리는 방법.
스와핑: 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리에는 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다. 이 때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는
것을 스와핑이라고 한다.
스레싱(Thrashing)
메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며 컴퓨터의 심각한 성능저하를 야기한다. 메모리에 너무 많은 프로세스가 올라가면 스와핑이 많이 일어난다. 그러면 CPU 이용률이 낮아지면서 운영체제는 CPU 이용률이 낮은줄알고 가용성을 높이기 위해 더 많은 프로세스를 올리게 된다. 악순환이 반복된다. 스레싱을 해결하는 방법으로 메모리를 늘리거나 HDD를 SDD로 바꾸거나 작업세트와 PFP가 있다.
메모리 할당
메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치와 메모리의 할당 크기를 기반으로 하는데 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.
연속할당: 메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것
- 고정 분할 방식: 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식
- 가변 분할 방식: 프로그램의 크기에 맞춰 동적 할당
불연속 할당: 현대 운영체제가 쓰는 방식으로 페이징 기법이 있다. 메모리를 4KB 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것.
- 페이징: 페이징은 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제는 없어지지만 주소 변환이 복잡해진다.
- 세그멘테이션: 페이지 단위가 아닌 의미단위인 세그먼트로 메모리를 나누는 것.
페이지 교체 알고리즘
메모리는 한정되어있기 때문에 스와핑이 일어난다. 스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계 되어야 하며 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어난다.
가상 메모리 장점
- 프로그램이 물리 메모리 제약에서 벗어남
- 프로그램이 더 작은 메모리를 차지하기 때문에 더 많은 프로세스를 올릴 수 있다.
- 프로그램을 메모리에 올리고 swap 하는데 필요한 I/O 횟수가 줄어듬
프로세스
프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말한다. 각 프로세스는 독립된 메모리 공간을 할당 받고 명령어들과 데이터를 가진다.
프로세스의 상태
프로세스는 여러가지 상태 값을 가진다.
생성 상태
프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다.
대기 상태
대기상태는 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.
대기 중단 상태, 일시 중단 상태
메모리 부족으로 일시 중단된 상태
실행 상태
CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행중인 상태
중단 상태
어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태. I/O 디바이스에 의한 인터럽션시 자주 발생한다.
종료 상태
종료 상태는 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태. 종료는 자연스럽게 되기도하지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제로 종료하는 경우도 있다. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나, 부모 프로세스가 종료되거나, 사용자가 kill 등 명령어로 종료하기도 한다.
프로세스의 메모리 구조
프로세스에 할당하는 메모리 구조는 스택, 힙, 데이터 영역, 코드 영역으로 나누어진다.
스택과 힙
스택: 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터(지역 변수, 매개 변수, 리턴 값 등)
힙: 프로그래머가 동적으로 변수를 할당할 때 쓰임
데이터 영역과 코드 영역
PCB
PCB(Process Control Block)는 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터이다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.
프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 프로세스의 중요한 정보를 담고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택에서 관리한다.
PCB 의 구조
- 프로세스 스케줄링 상태
- 프로세스 ID
- 프로세스 권한
- 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
- CPU 레지스터
- CPU 스케줄링 정보:
📌 프로세스와 스레드
프로세스 발전과정부터 스레드의 필요성
초창기는 단일 프로세스 시스템이었다. 단일 프로세스는 한 번에 하나의 프로세스만 실행 가능한데 여기서 단점이 있다.
CPU 사용률이 좋지 않다는 것이다. 어떤 프로그램 p1이 있는데 이 p1은 연산작업도 하고 I/O 작업도 하는데, 실행중인 프로세스가 I/O 작업을 할 때 CPU가 놀기 때문에 사용률이 낮아진다.
이러한 이유 때문에 여러 개의 프로그램을 메모리에 올려놓고(멀티 프로그래밍) I/O 작업이 발생하면 다른 프로세스가 CPU에서 실행되게 하여 해결하였다.
이 멀티 프로그래밍도 단점이 있는데, CPU 사용 시간이 길어지면 다른 프로세스의 대기 시간이 길어지는 문제가 발생하였다. 이를 해결하기 위해 프로세스는 한 번 CPU를 사용할 때 아주 짧은 시간(quantum)동안 사용하여(멀티 태스킹) 해결하였다.
멀티프로그래밍에서 퀀텀 시간을 사용하는게 멀티 태스킹이다. 멀티 태스킹을 사용함으로써 프로세스의 응답시간을 최소화 시켰다. 프로세스의 동시성(병렬x 동시에 실행되는 것 같은 체감을 주는 것)을 뜻한다.
여전히 남아있는 문제
- 하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 수행하지 못한다.
- 프로세스의 컨텍스트 스위칭(프로세스가 교체 되는 과정)이 무겁다.
- 프로세스 간 데이터 공유가 까다로움(독립적 메모리 공간을 가지기 때문)
- 듀얼 코어의 제대로 된 사용의 니즈
위 문제들의 해결책으로 등장한 개념이 스레드
스레드 특징
스레드는 한 프로세스에서 여러 개의 작업을 동시에 실행 할 수 있다
CPU에서 실행되는 단위(unit of execution)
같은 프로세스의 스레드는 컨텍스트 스위칭이 가벼움.
스레드는 자신이 속한 프로세스의 메모리 영역을 공유(스택은 제외)
싱글 스레드와 멀티 스레드의 메모리 구조
멀티스레딩: 하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 실행하는데 목적(듀얼 코어 이상일 때는 병렬적으로 가능). 즉, 하나의 프로세스에 여러개의 스레드가 있고 동시에 실행 되는 것을 의미.
멀티프로세싱: 두 개 이상의 프로세서나 코어를 활용하는 시스템
멀티태스킹 vs 멀티스레딩 vs 멀티프로세싱의 차이를 명확히 인지하자.
Context Switching
컨텍스트(프로세스/스레드의 상태) 스위칭: CPU 코어에서 실행중인 프로세스/스레드가 다른 프로세스/스레드로 교체 되는 것
- Context란?: 프로세스/스레드의 상태. CPU, 메모리 등
- 필요한 이유: 여러 프로세스/스레드를 동시에 실행시키기 위해
- 발생 시점: 퀀텀이 끝났거나, I/O가 발생했거나 등
- 실행 주체: OS 커널
컨텍스트 스위칭은 프로세스간의 스위칭인지 스레드간의 스위칭인지에 따라 나뉜다.
- Process Context Switching
- Thread Context Switching
프로세스 컨텍스트 스위칭 vs 스레드 컨텍스트 스위칭
공통점
- 커널 모드에서 실행
- CPU 레지스터 상태를 교체
차이점
프로세스 컨텍스트 스위칭은 가상 메모리 주소 처리를 추가로 수행해야 함. MMU와 TLB를 비워줘야 한다.
컨텍스트 스위칭의 간접적인 영향
캐시 오염: 특히나 다른 프로세스간의 컨텍스트 스위칭의 경우는 캐시에 찾는 데이터가 없기 때문에 처리 속도를 느리게 하는 원인이 된다.
유저 관점에서 컨텍스트 스위칭의 영향
순수한 오버헤드.
멀티 프로세스 환경에서 프로세스간 데이터를 주고 받는 방법
멀티 프로세스/스레드 환경에서 동기화 문제 해결
Reference
- 주홍철, 면접을 위한 cs 전공지식노트(길벗, 2022)
- https://www.youtube.com/watch?v=5pEDL6c--_k
- https://github.com/JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner/tree/master/OS#%EA%B0%80%EC%83%81-%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC
- https://math-coding.tistory.com/80
- https://hyeyoo.com/139
- https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/9_VirtualMemory.html
