[OS] 면접 준비

운영체제란?

• 하드웨어 자원 관리 소프트웨어
• 하드웨어와 프로그램의 상호작용을 관리

커널이란?

• 운영체제의 핵심 기능 담당
• 운영체제도 프로그램으로 메모리에 적재 되어야하지만 너무 큼, 때문에 핵심 적인 부분을 메모리에 적재
• 이 적재 시킨 운영체제의 핵심 부분이 커널

프로그램이 운영체제로부터 할당받는 메모리 공간(RAM) 4가지와 각각을 설명해주세요.

Code, Data, Heap, Stack 이 있다.

• Code : 프로그램의 코드 영역, text 영역
• Data : 전역변수, 정적 변수, 상수가 저장
  • 초기화된 데이터, BSS, ROM에 저장, 사라지면 안되기 때문
  • 초기화 되지 않은 데이터, GVAR, RAM에 저장, 사라져도 괜찮
• Stack : 메서드 호출, 지역 변수, 매개변수 영역
  • 크기는 컴파일 시 지정
  • 함수의 호출과 함께 할당, 함수 호출 종료시 소멸
  • 메모리 높은 주소에서 낮은 주소로 할당
    • 때문에 가장 나중에 들어온 것이 먼저 인출
• Heap : 동적할당 (new) 영역, 사용자가 직접 관리
  • FIFO 방식
  • 일반적으로 낮은 주소에서 높은 주소로 할당(항상 그런것은 아님 -> 단편화 발생가능성때문)
    • 때문에 먼저들어온 데이터가 먼저 처리
  • 런타임시 크기 결정

스택 영역의 속도가 더 빠른이유는?

• 스택은 LIFO구조로, 메모리에 데이터를 자동으로 할당 및 해체 (추가적인 연산 필요 X)
  • 힙은 동적 메모리 할당 및 해제의 복잡한 메모리 관리를 처리해야함
• 스택 포인터 레지스터
  • CPU에 스택 포인터 레지스터가 존재, 이를 통해 스택의 Top을 가리키며 빠르게 데이터 추가 및 제거 가능
• 캐시 친화적 : 스택은 메모리 상에서 연속적인 블록을 차지하기에 CPU의 캐시 메모리와 친화적
  • 힙은 분산되어 저장됨

스택과 힙의 차이?

스택

• 메서드, 지역변수, 매개변수
• 컴파일 시간에 크기 지정
• FILO 구조
• 크기 제한
• 빠름
• 높은 주소 -> 낮은 주소
• 알아서 소멸되기에 따로 관리 필요 없음

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힙

• 동적 할당 부분(new)
• 런타임 시간에 크기 지정
• FIFO 구조
• 크기 제한 없음
• 느림
• (일반적으로)낮은 주소 -> 높은 주소
• 힙 영역 관리 필요

힙 영역이 너무 커진다면 무슨일이 생길까?

• 힙 영역은 동적으로 생성된 데이터들이 적재
• 힙 영역의 데이터 관리를 위해 Garbage Collect 수행
• 영역이 커지면 Garbage Collector가 참조 여부를 확인해야하는 범위가 커짐

프로세스와 쓰레드에 대해 설명

• 프로세스 : 프로그램을 사용하기 위해 메모리에 올린 상태
  • 프로세스들은 영역을 공유하지 않음
    • 다른 프로세스에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC)를 사용해야 한다(Ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용)
  • 오류가 생겨도 다른 프로세스에 영향 안줌
  • 동기화 필요없음
  • 무거움
  • PCB, code, data, heap, stack 영역을 갖고있음
• 쓰레드 : 프로세스를 처리하기 위한 최소한의 일의 단위
  • 쓰레드는 code, data, heap 영역을 공유, stack을 별도로 소유
  • 공유되는 영역에 대한 동기화 필요
  • 오류 생기면 다른 쓰레드에게 영향줌
  • 가벼움

컨텍스트 스위칭이란, 왜 필요한지

Context-Switching

• 현재 CPU를 사용하고 있는 프로세스를 중단하고 다른 프로세스를 실행시키는 것
• CPU에서 실행할 프로세스를 교체하는 기술

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왜 필요한가

• CPU의 효율을 올리기 위해
• 프로세스가 순서대로 처리된다면 프로세스의 I/O 작업 동안에는 CPU가 쉬게됨
• 이 쉬는 시간동안에도 CPU가 일하게 하도록 하기위해서 컨텍스트 스위칭으로 다른 프로세스를 적재

PCB(Process Control Block)이란

• 프로세스를 관리하기위한 정보를 포함하는 커널의 자료구조
• 운영체제가 프로세스 생성할때 PCB 생성
• PCB 정보는 중요하기에 사용자가 접근할 수 없는 메모리 영역(OS 메모리 영역)에 저장
• PID, 프로세스 상태 등 저장
• PCB는 프로그램 카운터와 레지스터 정보(스택 포인터 등)를 저장하고 CPU는 문맥 전환시 이 정보를 사용

크롬 브라우저는 쓰레드인가, 프로세스인가

• 쓰레드라면 오류가 발생했을때 다른 창에 영향 줌
• 하지만 그렇지 않기 때문에 별개의 프로세스로 진행되는 것을 알 수 있음
• 그렇지만! 각각의 크롬창은 영향을 주지않지만 하나의 창에서는 영향을 줄 수 있고 여러가지 작업을 동시에 실행가능
  즉, 크롬은 멀티쓰레드이자 멀티프로세싱인 하이브리드 방식이다.

멀티 쓰레드와 멀티 프로세스를 비교

멀티 쓰레드

• 하나의 프로세스를 여러개의 쓰레드로 작업
• 적은 메모리공간 사용
• Context Switching이 빠름
  - CPU는 프로세스에게 할당되지만 내부에서 각각의 스레드에게 할당되기에 컨텍스트 스위칭 필요
• 오류나면 전체 쓰레드가 영향
• Ex. 웹 서버

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멀티 프로세스

• 하나의 프로그램을 여러개의 프로세스로 작업
• 많은 메모리 공간 사용
• Context Switching이 쓰레드에 비해 느림
• 오류나면 다른 프로세스 영향 끼치지 않음

쓰레드에 독립적으로 할당되는 2가지?

• Stack 영역
  • Stack 영역은 메서드 호출이 가능
  • 즉, 스레드마다 프로세스 내에서 독립적인 실행이 가능하도록
• PC(Program Counter) Register
  • 쓰레드가 명령어를 어디까지 수행했는지 나타냄
  • TCB(Thread Control Block) 안에 존재
  • 다음 CPU를 할당 받을때 이어서 실행하기위함

멀티 쓰레드환경의 주의사항

• 쓰레드는 자원을 공유하기때문에 동기화문제를 고려해야함
• 다른 쓰레드가현재 쓰레드가 사용하는 자원을 변경하는 것이 문제

동기와 비동기

• 동기 : 여러 작업들이 순서대로 작동되는 것을 의미
  • 즉, 하나의 작업이 종료될때까지 기다림
  • 대기해야함
• 비동기 : 작업들의 순서를 기다리지 않고 바로 실행
  • 하나의 작업이 종료될때까지 기다리지 않음
  • 다른 작업을 효율적으로 사용 가능
  • 요청한 작업이 끝나면 CallBack으로 끝났음을 알림

Blocking vs Non-Blocking

• blocking : 호출되면 내 함수가 끝날때까지 주도권을 넘기지 않음
• non-blocking : 호출되면 주도권을 넘김

동기, 비동기 vs Blocking , Non-Blocking

• 동기 X Blocking : 다른 일 수행 불가, 상대의 반환을 기다림
• 동기 X Non-Blocking : 다른 일 수행 가능, 상대의 완료상태를 계속 확인
• 비동기 X Blocking : 다른 일 수행 불가, CallBack을 통해 응답 확인
• 비동기 X Non-Blocking : 다른 일 수행 가능, CallBack을 통해 응답 확인

프로세스의 종류에 대해 설명해주세요

• 자식 프로세스 : fork로 자식 프로세스를 생성, 부모 프로세스의 데이터 복사
  • 웹 서버에서 각 클라이언트의 요청을 처리하기 위해 요청마다 새로운 자식 프로세스 생성
  • 프로세스를 생성해서 병렬적으로 작업을 빠르게 처리하도록
• 데몬 프로세스 : 백그라운드에서 동작하며 서비스를 제공하는 프로세스
  • 백그라운드 : 사용자가 보지못하는 뒷편
  • 자동으로 작동
• 고아 프로세스 : 부모 프로세스가 먼저 종료되어 고립된 프로세스
• 좀비 프로세스 : 자식 프로세스가 종료되었는데 작업 종료에 대한 승인을 받지 못한 상태

Race Condition과 Critical Section이 무엇인지, 이를 해결하기위한 방법

• Race Condition : 두개 이상의 쓰레드 또는 프로세스가 하나의 자원에 접근하기위해 경쟁하는 것
• Critical Section : Race Condition이 발생할 수 있는 영역

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해결방법

• Mutext와 SemaPhore를 사용해서 Critical Section에 하나의 프로세스만 접근 가능하도록 합니다.

DeadLock에 대해 설명

• DeadLock : 각자가 서로 자원들 갖고있는 상태에서 서로의 자원을 얻기 위해 무한히 기다리는 상태

DeadLock이 발생하기 위한 조건

• 상호배제 : 하나의 자원에 여러 프로세스가 접근할 수 없음
• 점유대기 : 하나의 자원을 소유한 상태로 다른 자원을 기다림
• 비선점 : 이미 선점된 자원을 뺏을 수 없음
• 순환대기 : 프로세스들이 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 소유

DeadLock을 해결 할 수 있는 방법?

• 예방 : DeadLock 발생조건 중 하나 제거
• 회피 : 자원을 할당하기 전에 데드락이 발생하는지를 사전에 확인하고 피함
• 회복 : 현재 데드락이 발생했는지를 확인하고 회복

은행원 알고리즘 이란?

데드락을 해결할 수 있는 회피방법에 사용되는 알고리즘

• 은행원은 사람들에게 대출을 해준다
• 모든 사람들이 원하는 대출금액을 해줄 수 없어서 각각의 사람들에게 특정한 금액만큼 먼저 빌려줌

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여기서부터 상황이 나뉨

• 안전한 상태
  • 특정한 금액만큼 빌려주고 남은 금액으로 한 사람이 원하는 대출금을 제공할 수 있어서 대출해주고 갚을때까지 기다리고 다음 사람 해결하는 식
• 교착 상태
  • 특정한 금액만큼 빌려주고 난 뒤에 남은 금액으로 어떠한 사람의 대출금을 제공할 수도 없게됨

식사하는 철학자의 문제에서 DeadLock이 발생하는 이유는?

• 철학자들은 원탁 식탁에 앉아서 식사
• 철학자들마다 앞에 음식이 있고 양옆에 포크가 위치한다.
• 식사를 하기위해 모든 철학자는 왼쪽의 포크를 손에쥠
• 철학자들은 모두 오른쪽 포크를 기다리면서 무한정 대기 : DeadLock 발생

철학자의 문제를 해결할 수 있는 방법은??

• 방에 들어올 수 있는 인원을 설정
• 5개의 포크가 존재한다면 식사를 할 수 있는 최대인원 4명만 입장 가능 하도록
• 이 방법을 세마포어라고 한다.

뮤텍스와 세마포어 차이

• 뮤텍스 : 하나의 자원을 이미 프로세스가 사용하고 있다면 다른 프로세스는 접근하지 못한다.(오직 1개)
• 세마포어 : 세마포어 변수 만큼 프로세스가 접근 가능
• 세마포어 변수는 여분의 자원을 표시
  • 2는 2개의 프로세스가 더 접근 가능
  • -2는 2개의 프로세스가 이미 대기하고 있음

이진 세마포어는 뮤텍스인가?

비슷한 개념이지만, 동일한 것은 아니다.
공통점

• 둘다 동기화 도구로 사용된다.
• 단일 리소스의 접근을 제어한다.
  차이점
• 이진 세마포어
  • 0 또는 1이라는 세마포어 변수 값을 이용해 제어
  • 소유권이 존재하지않음, 즉, 현재 자원을 소유하고있지 않은 쓰레드가 세마포어 변수를 제어해서 자원을 소유할 수 있음 -> 이는 불안전한 상황
  • 때문에, 세마포어의 변수를 적절히 조절할 수 있도록 설계가 중요
• 뮤텍스
  • 잠금 또는 해제의 상태로 쓰레드의 접근을 제어
  • 소유권이 존재, 잠근 쓰레드만 해제가 가능

CPU 스케줄링이란?

• CPU가 쉬지않고 최대한 일할 수 있도록 하기위해서 대기하는 프로세스에게 CPU를 할당하는 알고리즘

CPU 스케줄링 종류

비선점

• FCFS(First Come Fisrt Start) : 들어온 순서대로
• SJF(Shortest Job First) : 처리시간이 가장 짧은 프로세스
• HRN(High Response Ratio Next) : 대기 시간에 따른 비율이 가장 높은 프로세스
  • 처리시간/대기시간

선점

• RR(Round Robin) : 대기하고있는 프로세스들에게 일정한 시간만큼 부여
  • 시간이 지나면 다음 프로세스가 선점
• SRTF(Sortest Remaining Time First) : 처리시간이 가장 짧은 프로세스
  • 짧은 프로세스가 대기큐에 처리시간이 더 짧은 프로세스가 있다면 뺏김(SJF와 비슷)
• MFQ(Multilevel Feedback Queue) : 각 단계마다 하나의 큐를 두고, 단계 마다 정해진 시간내에 처리하지 못하면 다음 낮은 큐로 보내짐
  • 우선순위가 낮을 수록 더 많은 시간을 배정, 해당 작업을 집중적으로 해결하기 위함
  • MLQ의 기아 문제를 해결하기 위함
    에이징 기법 : 기다린 시간에 비례해서 우선순위를 한 단계씩 높여주는 방법, 기아 상태 예방

CPU 성능의 척도는?

• 이용률 : CPU가 쉬지않고 일한 시간
• 처리량 : 단위 시간당 처리량
• 소요시간 : 프로세스를 처리하는데 사용한 CPU사용시간 + 기다린 시간
• 대기시간 : 프로세스가 Ready Queue에서 기다린 시간
• 응답시간 : 프로세스가 들어가서 CPU를 할받는데 까지 걸린 시간

선점 vs 비선점

• 선점 : 프로세스가 CPU를 사용하고 있어도 CPU의 할당을 뺏어서 다른 프로세스에게 할당
  • System Call, Time Quantum, Interrupt 등에 의해서 선점이 발생
    • Time Quantum : RR 스케줄링으로 부여받은 시간
• 비선점 : 프로세스가 CPU를 사용하고 있다면 뺏지 못함

System Call 이란?

• 커널에서 제공하는 핵심적인 기능을 사용하기 위한 방법(인터페이스)
• 운영체제는 커널의 기능을 사용하기위해서는 System Call을 사용해야만 가능하도록 제한
  • 때문에 컴퓨터 자원을 보호하며 서비스 제공 가능

Interrupt란?

Interrupt : 프로그램이 실행되고 있는 중에 입출력과 같은 특정한 상황이 발생하면 CPU는 실행하던 프로그램을 멈추고 이 상황을 처리하는 것

동시성과 병렬성의 차이는?

• 동시성 : 사용자가 여러가지 작업을 동시에 수행할 수 있는 것처럼 보이기 위한 특성(멀티 프로그래밍)
  • 사실은 빠르게 프로세스를 갈아끼면서 부분적으로 수행
• 병렬성 : 실제로 CPU의 코어들을 사용해서 동시에 병렬적으로 작업을 수행하는 특성(멀티 프로세싱)

메모리의 종류에 대해 설명

• 레지스터
• 캐시
• 주 기억장치
• 보조 기억장치
  CPU에 가까운 순서

메모리가 나눠져있는 이유?

• CPU에 접근하는 속도의 차이를 나누기 위함

OS가 메모리 관리를 해야하는 이유?

• 프로세스는 각자 독립적인 메모리 공간을 소유
• 즉, 프로세스는 다른 프로세스에 접근 불가
• OS는 커널영역과 사용자 영역에 접근 제한이 없음
• 때문에 오로지 OS 만이 메모리관리 가능

메모리 관리를 위해 사용하는 전략은?

• 가상 메모리
• 고정 길이 할당(연속 배치)
• 가변 길이 할당(연속 배치)
• 페이징 전략(불연속 배치)
• 세그멘테이션 전략(불연속 배치)
• 등등

메모리가 커널영역과 사용자 영역으로 나눠지는 이유

• 운영체제의 핵심적인 역할을 수행하는 커널의 영역이 커널영역
• 커널영역에 사용자가 마음대로 접근한다면 시스템이 불안정

메모리 Fit과 종류 에 대한 설명

가변 길이 할당 방식에서 사용되는 방식으로, 메모리 FIT은 프로세스에 적합한 메모리 블록을 선택하는 방법

• First Fit : 처음부터 시작해서 가장 첫번째로 접근되는 곳에 적합
• Next Fit : 가장 마지막으로 접근했던 곳에서부터 시작해서 첫번째로 접근되는 곳에 적합
• Best Fit : 가장 크기가 알맞는 공간에 적합
• Worst Fit : 가장 크기의 차이가 큰 공간에 적합

페이징과 세그멘테이션에 대해 설명

페이징

• 프로세스를 동일한 크기의 페이지로 분리(페이지)
• 메모리를 페이지와 동일한 크기로 분리(프레임)
• 메모리에 불연속적으로 데이터를 저장하는 방식
• 내부단편화 발생 가능
  세그멘테이션
• 프로세스를 가변적인 크기로 분리(세그먼트)
• 세그먼트를 그대로 메모리에 불연속적으로 적재
• 외부단편화 발생 가능

내부단편화와 외부단편화란

• 단편화 : 프로세스들이 차지하는 메모리 공간들 사이에서 낭비되는 작은 공간
  내부단편화
• 메모리를 일정한 크기로 분할해서 사용할때 발생
• 일정한 크기로 분할한 곳에 해당 크기보다 작은 데이터를 적재
• 일정한 크기에 적재되었지만 남는 공간 : 내부단편화

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외부 단편화

• 메모리에 데이터를 가변적으로 적재
• 데이터를 적재하는 과정을 반복하다 보니 사이사이 공간들이 발생
• 이 공간들을 합쳐보니 적재되어야할 데이터가 적재될 수 있는 공간인데도 적재되지 못함 : 외부단편화

가상메모리란?

• 메모리에 프로세스 전체가 적재되지 않아도 실행이 될 수 있게 하는 기법
• 크기가 커서 메모리에 적재될 수 없는 프로그램을 메모리에 올라와있다고 착각하게 하도록 가상 주소에 적재
• 적재된 프로세스의 부분이 필요한 상황에 실제 메모리와 Swap
• 즉, 프로세스의 필요한 부분만 메모리에 적재해서 실행

요구페이징이란

• 프로그램을 실행시킬때 프로그램 전체를 메모리에 올리는 것이 아닌 필요한 부분만 메모리에 적재하는 전략
• 가상메모리에 사용
• 페이징을 사용

페이지 교체란?

• 메모리를 페이징 단위로 분리해서 사용(프레임)
• 분리한 부분에 페이지를 적재시켜서 프로세스의 부분을 실행
• 공간이 부족해 메모리에 적재시키지 못한 페이지는 하드디스크의 스왑영역에 저장
• 스왑영역에 저장된 페이지가 사용되어야할때 메모리에 적재된 페이지와 교체해야하는 상황

페이지 교체 알고리즘의 종류?

• FIFO(First In First Out) : 가장 처음에 적재되었던 페이지와 교체
• LRU(Least Recently Used) : 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지와 교체
• LFU(Least Frequently Used) : 가장 적게 사용되었던 페이지와 교체
• OPT(Optimal, 최적) : 가장 나중에 실행될 페이지와 교체(최적이지만 사실상 불가능)

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• MFU(Most Frequently Used) : 가장 많이 사용되는 페이지와 교체
• NUR(Not Used Recently) : LRU와 비슷, 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지와 교체
  • 참조비트, 변형비트 사용
    • 참조되면 1 아니면 0
    • 변형되면 1 아니면 0
    • 00인것과 교체

쓰레싱(Thashing)이란?

쓰레싱

• 페이지 부재율이 높은 상태
• 페이지 부재율이 높다면 페이지를 교체하는데 많은 시간이 사용
• CPU가 일을 안하고 놀게되기 때문에 일처리가 늦어지고 더 많은 프로세스가 대기
• 이러한 악순환이 쓰레싱
  실행되는 프로세스가 많아지면 프로세스에게 할당되는 프레임의 개수도 줄어듬

쓰레싱을 해결하기 위한 방법?

• Working Set
  • 대부분의 프로세스가 특정 페이지만 사용하는 것을 이용
  • 일정 시간동안 참조되는 페이지의 개수를 파악
  • 예를들어, 일정시간동안 0, 1, 0, 2, 3, 2 페이지가 사용되었다면 Working set은 {0, 1, 2, 3}이 된다
  • 그 개수만큼 프레임이 확보되면 그 때 메모리에 적재

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• Page Fault Frequency
  • Page Fault의 하한과 상한을 설정
  • 상한을 넘으면 프레임 개수를 추가
  • 하한을 넘으면 프레임 개수를 줄임

메모리가 고갈되면 어떻게될까?

• 많은 페이지 fault가 발생
• CPU의 이용률이 낮아지기 때문에 OS는 더 많은 프로세스를 추가함
• 즉, 악순환(쓰레싱)

캐시 메모리란?

• 메모리에서 자주 사용되는 데이터를 따로 저장해서 사용하는 구조
• CPU와 메모리의 속도차이를 완화하기 위해 사용하는 메모리 종류

왜 메모리와 CPU의 속도차이를 완화시켜야할까?

• CPU는 매우 빠른 속도로 데이터를 처리
• 메모리는 상대적으로 느린 속도를 갖음
• 메모리의 속도를 CPU가 기다려줘야하는 상황이 발생
• 이러한 상황때문에 전체 시스템이 영향을 받는 병목현상 발생
  병목현상 : 하나의 구성요소로 전체 시스템이 영향을 받는 현상

캐시의 적중률을 높이기 위한 방법은?

• 지역성 : 참조된 데이터의 주변의 데이터가 다시 참조되는 성질
• 시간성 : 참조된 데이터가 다시 참조되는 성질

DMA(Direct Memory Access)란?

• 데이터의 이동에는 CPU가 필요
• 다량의 데이터 이동에는 CPU가 많은 부담을 느낌
• 때문에 CPU를 거치지 않는 DMA 방법 사용
  DMA 컨트롤러라는 하드웨어 장치가 관리, CPU가 초기설정해주고 이후 작업은 DMA 컨트롤러가 진행

메모리 할당 방식중에 연속방식과 불연속 방식에 대해 설명해주세요

연속방식

• 프로세스 전체를 분할된 메모리 형태(파티션)에 적재
• 프로세스의 정보가 연속적으로 저장
• 고정분할, 가변분할
  • 고정 분할 : 메모리를 고정된 크기로 분할
    • 프로세스마다 동일한 크기가 아니고, 프로세스마다 정해진 파티션의 크기의 메모리 공간
    • 프로세스보다 크거나 같은 파티션에 할당
  • 가변 분할 : 메모리를 동적인 크기로 분할
    • 분할된 파티션의 크기가 계속해서 변함

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불연연속 방식

• 프로세스를 분리해서 메모리에 적재
• 프로세스의 정보가 불연속적으로 저장
• 페이징, 세그멘테이션

정리

• 연속할당 방식은 프로세스를 분할하지 않고 분할된 하나의 파티션에 하나의 프로세스를 적재

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• 페이징 기법은 나누어진 메모리(프레임)에 프로세스도 같은 크기의 페이지 단위로 나눠서 적재

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이는 가변분할과 세그멘테이션 에서도 동일

운영체제에 쓰이는 알고리즘은?

• FCFS, SJF, HRN, RR, MFQ
• FIFO, LRU, LFU