11월 한 달 간 JSCODE CS 스터디에 참여하여 운영체제 면접 스터디를 진행했다!

전공자이지만 운영체제 과목을 수강한지 오래돼서 다시 공부를 해야했기 때문에 스터디를 알아보던 중 JSCODE 스터디를 발견했다

나는 강제성이 없으면 발등에 불이 떨어져도 타들어갈 때까지 미루는 인간이라 예치금 5만원을 걸고 시작하는 게 제일 마음에 들었던 것 같다

2. 활동 내용

스터디는 매주 금요일 저녁 8시에 모의 면접 형식으로 진행되었다

매주 목요일 자정까지 해당 주차의 CS 지식을 블로그에 정리하여 과제로 제출했고,

공부한 개념을 바탕으로 스터디 시간에 실제 CS 면접을 보는 것과 같이 서로 질문해주고 피드백을 해주는 방식이었다

⬆️ 매주 이런식으로 운영체제 개념에 대해 정리했었다 이 과정에서 인강도 듣고 책도 찾아보고 나름 재미있었던 것 같기도?

3. 느낀 점

우선 처음 면접 스터디를 진행하고 느꼈던 점이 있다!

확실히 혼자 개념을 정리하고 '음 이해했다~'하고 끝낼 때와는 다르게 질문에 대해 말로 풀어서 설명해야해서 공부했던 내용들이 확실히 내꺼가 되는 느낌이었다

그리고 면접 경험이 많지 않아 첫 주차에는 어버버 답변을 했었는데 뒤로 갈수록 자신감이 생겨서 조금은 더 능숙하게 답변할 수 있었던 것 같다..

4. 스터디 참여를 고민하는 사람들에게!

• CS 개념을 공부해야하는데 미루고 있다
• 면접 경험이 많지 않아 무섭다
• 열심히 공부하는 사람들에게 동기부여 받고 싶다
• 한 달동안 빡세게 집중해서 무언가를 해내고 싶다

이런 조건에 해당하는 사람들(해당하지 않더라도) 강추합니다...!!

• JSCODE 모의면접 스터디 모집 : https://jscode-study.oopy.io/

• JSCODE 소프트웨어 교육 : https://www.jscode.kr/

💡 2개 이상의 작업이 동시에 이루어지는 경우, 다른 작업이 끝나기만 기다리며 작업을 더 이상 진행하지 못하는 상태

• 아사(기아) 현상과 다른점!

  • 아사 현상은 잘못된 정책으로 특정 프로세스의 작업이 지연되는 문제
  • 교착 상태는 여러 프로세스가 작업을 진행하다 보니 발생하는 자연적인 현상. 따라서 강압적으로 해결해야 함(like 교통정리)

• *식사하는 철학자🍴 *

  

  이미지 출처: 위키백과

✔️ 둥근 식탁에 앉은 철학자들은 왼쪽에 있는 포크를 잡은 뒤 오른쪽 포크를 잡아야만 식사가 가능함 ✔️ 철학자들은 음식을 먹기 위해 왼쪽 포크를 잡은 뒤 오른쪽 포크를 봄 ✔️ 하지만 이미 왼쪽 포크를 들고 있는 다른 철학자가 있음 ✔️ 결과적으로 오른쪽 포크를 아무도 잡지 못해 모두 굶어 죽음💀

2. 교착 상태 필요조건

💡 아래 네 가지 조건을 동시에 만족해야만 교착 상태가 발생함

1. 상호 배제

• 한 프로세스가 사용하는 자원을 다른 프로세스가 사용할 수 없는 상태

  2. 점유와 대기

• 프로세스가 어떤 자원을 할당 받은 상태에서 다른 자원을 할당 받기를 기다리는 상태

  3. 비선점

• 어떤 프로세스도 다른 프로세스의 자원을 강제로 빼앗지 못하는 상태

  4. 원형 대기

• 점유와 대기를 하는 프로세스 간의 관계가 원을 이루어야 함

3. 교착 상태 해결 방법

1. 예방

• 교착 상태를 유발하는 네 가지 조건이 발생하지 않도록 무력화 하는 방식(부작용 있음)

  ✔️ 상호 배제 예방

• 시스템 내의 자원을 모두 공유하게 만든다?
  • 임계 구역이 보호 받지 못하면 작업 결과가 달라짐!
  • 결론: 사실상 어렵다

    ✔️ 비선점 예방

• 모든 자원을 빼앗을 수 있도록 만드는 방법
  • 아사 현상 발생 가능
  • 모든 자원이 선점 가능한 것은 아님 ex) 프린터기

    ✔️ 점유와 대기 예방

• 프로세스가 자원을 점유한 상태에서 다른 자원을 기다리지 못하게 하는 방법 == 전부 할당하거나 아예 할당하지 않는 방식
  • 프로세스가 자신이 사용하는 모든 자원을 자세히 알기 어려움(추가로 필요한 자원이 생기면 확보하기 어려움)
  • 자원의 활용성이 떨어짐

    ✔️ 원형 대기 예방

• 점유와 대기를 하는 프로세스들이 원형을 이루지 못하도록 막는 방법
• 자원에 번호를 붙이고 오름차순으로 할당함
  • 자원에 번호를 어떻게 부여할지 문제가 됨(어떤 번호를 붙이는지에 따라 활용률이 달라지기 때문에)

    2. 회피

• 프로세스에 자원을 할당할 때 어느 수준 이상의 자원을 나누어주면 교착 상태가 발생하는지 파악하여 그 수준 이하로 나누어주는 방법
• 교착 상태가 발생하지 않는 범위 내에서만 자원을 할당함
• 교착 상태가 발생하는 범위에 있으면 프로세스를 대기 시킴

  2.1 은행원 알고리즘

• 은행에서 대출 금액이 가능한 범위 내(안정 상태)이면 대출을 허용하고 그렇지 않으면 거부되는 것과 비슷해서 이러한 명칭이 붙음
• 안정 상태: 모든 프로세스가 요청한 자원을 순서대로 할당받아 실행될 수 있는 상태

 - 만약 P2가 자원을 요청하면 2만큼을 추가로 할당받고 실행을 종료한 뒤 6을 반환함
 - 이런식으로 전체 작업을 완료할 수 있기 때문에 안정 상태임

• 불안정 상태

- 사용 가능한 자원이 1인 상태인데 이는 현재 남은 자원으로는 어떤 프로세스도 끝낼 수 없다는 의미

2.2 교착 상태 회피의 문제점

1️⃣ 프로세스가 자신이 사용할 모든 자원을 미리 선언해야 함(정확하지 않을 수 있음) 2️⃣ 시스템의 전체 자원 수가 고정적이어야 함(시스템의 자원수는 유동적임. 고장이나 새로운 자원 추가 등등) 3️⃣ 자원이 낭비됨

• 프로세스에 따라 최대 자원을 사용하지 않고 종료되는 경우도 있음
• 교착 상태 회피에서는 실제로 교착 상태가 발생하지 않는데도 발생할 것이라고 예상하고 자원을 할당하기 때문에 교착 상태가 발생하지 않을 경우 자원 낭비가 됨

  3. 교착 상태 검출과 회복

  • 교착 상태의 발생을 인정하고 사후에 조치하는 방식
  • 프로세스가 자원을 요구하면 일단 할당, 교착 상태가 검출되면 회복

    선점을 통한 회복

  • 교착 상태가 해결될 때까지 한 프로세스씩 자원을 몰아주는 방식

    프로세스 강제 종료를 통한 회복

  • 교착 상태에 놓인 프로세스 모두 강제 종료
• 작업 내역을 잃을 위험이 있음
  • 교착 상태가 해결될 때까지 한 프로세스씩 강제 종료
• 교착 상태가 회복이 됐는지 안 됐는지 계속 확인하느라 오버헤드 발생

참조 📚 쉽게 배우는 운영체제 🧑🏻‍🏫 개발자를 위한 컴퓨터공학1: 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제

프로세스들의 수행 시기를 맞추는 것!

크게 두 가지를 의미하는데,

1️⃣ 실행 순서 제어: 프로세스를 올바른 순서대로 실행하기

• reader writer problem

  • reader 와 writer 프로세스는 순서에 맞게 실행되어야 함
  • ex: reader 프로세스는 Book.txt 안에 값이 존재한다는 조건이 만족되어야 실행 가능함

2️⃣ 상호 배제: 동시에 접근해서는 안되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 하기

• bank account problem
• 생산자 & 소비자 problem

(스레드도 동기화의 대상임)

2. 공유 자원과 임계구역

2.1 용어 정리

💡 공유 자원(shared recource) 여러 프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원 💡 경쟁 조건(race condition) 2개 이상의 프로세스가 공유 자원을 병행해서 읽거나 쓰는 상황 💡 임계 구역(critical area) 공유 자원 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라지는 프로그램의 영역

2.2 임계구역 문제 해결 조건

✔️ 상호 배제(mutual exclusion) ⭐️ 중요! ⭐️

• 한 프로세스가 임계구역에 들어가면 다른 프로세스는 임계구역에 들어갈 수 없음
• 임계구역 내에는 한 번에 하나의 프로세스만 있어야함

  ✔️ 한정 대기(bounded waiting)

• 어떤 프로세스도 임계구역에 진입하지 못하여 무한 대기 하지 않아야 함

  ✔️ 진행의 융통성(progress flexibility)

• 임계구역에 어떤 프로세스도 진입하지 않았다면, 진입하고자 하는 프로세스는 들어갈 수 있어야 함

3. 동기화 기법

3.1 뮤텍스 락(자물쇠 역할!!)

• 상호 배제를 위한 동기화 도구

  acquire();        // 자물쇠가 잠겨 있는지 확인, 잠겨 있지 않다면 잠그고 들어가기
  // 임계구역          // 임계구역에서의 작업 진행
  release();        // 자물쇠 반환

• acquire()에서는 임계구역이 잠겨있는지를 반복적으로 확인함

• 바쁜 대기(busy waiting) 발생(CPU 사이클 낭비)

  3.2 세마포어

3.2.1 카운팅 세마포어

• 공유 자원이 여러 개 있는 경우에도 적용 가능한 방법

  

• Semaphore(n)

  • 전역 변수 RS를 n으로 초기화. RS에는 현재 사용 가능한 자원의 수가 저장됨

• P(wait)

  • 잠금을 수행하는 코드
  • RS가 0보다 크면(사용 가능한 자원 있다는 뜻) 1만큼 감소시키고 임계구역에 진입함
  • 0보다 작으면(사용 가능한 자원 없다는 뜻) 0보다 커질 때까지 기다림(PCB 대기큐 삽입)
  • block()은 wake_up() 신호를 보낼 때까지 기다리는 함수

• V(signal)

  • 잠금 해제와 동기화를 같이 수행하는 코드
  • RS 값을 1 증가 시키고 세마포어에서 기다리는 프로세스에 임계구역에 진입해도 좋다는 wake_up() 신호 보냄

💡 세마포어의 바쁜 대기 해결 방법

• 사용할 수 있는 자원이 없을 경우 대기 상태로 만듦 (해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에 삽입)
• 사용할 수 있는 자원이 생겼을 경우 대기 큐의 프로세스를 준비 상태로 만듦 (해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에서 꺼내 준비 큐에 삽입)

3.3 모니터

• 공유 자원을 내부적으로 숨기고 공유 자원에 접근하기 위한 인터페이스만 제공함으로써 자원을 보호하고 프로세스 간에 동기화하는 방법

1️⃣ 임계구역에 접근하고자 하는 프로세스는 직접 P()나 V()를 사용하지 않고 모니터에 작업 요청을 함 2️⃣ 모니터는 요청받은 작업을 모니터 큐에 저장한 후 순서대로 처리하고 그 결과만 해당 프로세스에 알려줌

참조 📚 쉽게 배우는 운영체제 🧑🏻‍🏫 개발자를 위한 컴퓨터공학1: 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제

✔️ CPU 스케줄링이란?

여러 프로세스의 상황을 고려하여 CPU와 시스템 자원을 어떻게 배정할지 결정하는 일

1. 스케줄링의 종류

1️⃣ 고수준 스케줄링(장기 스케줄링, 작업 스케줄링)

• 시스템 내의 전체 작업 수를 조절하는 것

  • 여기서 작업은 운영체제에서 다루는 일의 가장 큰 단위를 뜻함. 1개 또는 여러개의 프로세스로 이루어짐

• 작업 요청이 들어오면 스케줄러가 시스템의 상황을 고려하여 작업을 승인할지, 거부할지를 결정함(그래서 승인 스케줄링이라고도 함)

• 스케줄러의 이러한 결정에 따라 시스템 내에서 동시에 실행가능한 프로세스의 수가 결정되는데 이를 degree of multiprogramming이라고 함

2️⃣ 저수준 스케줄링(단기 스케줄링)

• 어떤 프로세스에 CPU를 할당할지, 어떤 프로세스를 대기 상태로 보낼지 등을 결정

3️⃣ 중간 수준 스케줄링

• 고수준 스케줄링과 저수준 스케줄링 사이에 일어나는 스케줄링
• 시스템의 과부하를 조절하기 위해 활성화된 프로세스 중 일부를 보류 상태로 보냄
• 보류된 프로세스는 처리 능력에 여유가 생기면 다시 활성화 됨

2. 선점형 스케줄링과 비선점형 스케줄링

선점: 빼앗을 수 있음 비선점: 빼앗을 수 없음

✔️ 선점형 스케줄링

• 어떤 프로세스가 CPU를 할당받아 실행 중이더라도 운영체제가 CPU를 강제로 빼앗을 수 있는 스케줄링 방식 ex) 인터럽트
• 시분할 시스템을 고려하여 만들어진 알고리즘
• 문맥 교환과 같은 작업으로 인해 오버헤드 발생

✔️ 비선점형 스케줄링

• 어떤 프로세스가 실행 상태에 들어가 CPU를 사용하면 그 프로세스가 종료되거나 자발적으로 대기 상태에 들어가기 전까지는 계속 실행되는 스케줄링 방식
• 기다리는 프로세스가 많아 처리율이 떨어지기 때문에 지금은 거의 사용되지 않음

3. 스케줄링 알고리즘

3.1 FCFS 스케줄링(First Come First Served)

• 선입선출 스케줄링
• 준비 큐에 도착한 순서대로 CPU를 할당하는 비선점형 방식
• 초기의 일괄 작업 시스템에서 사용됨
• 한 번 실행되면 그 프로세스가 끝나야만 다음 프로세스 실행 가능
• 큐가 하나라서 모든 프로세스의 우선순위가 동일함
• 단점: 현재 작업 중인 프로세스가 입출력 작업을 요청하는 경우 CPU가 작업하지 않고 쉬는 시간이 많아져서 작업 효율이 떨어짐

3.2 SJF(Shortest Job First)(최단 작업 우선 스케줄링)

• 준비 큐에 있는 프로세스 중에서 실행 시간이 가장 짧은 작업부터 CPU를 할당하는 비선점형 방식

• SPF(Shortest Process First) 또는 최단 프로세스 우선 스케줄링이라고도 함

  단점

• 운영체제가 프로세스의 종료 시간을 정확하게 예측하기 어려움

  • 현대의 프로세스는 사용자와 빈번하게 상호작용하기 때문에 프로그램 종료 시간을 파악하기 어려움

• 공평성에 위배된다!

  • 작업 시간이 짧은 프로세스가 계속해서 준비 큐에 들어오면 작업시간이 긴 프로세스는 계속해서 연기되는데 이를 기아(아사) 또는 무한 봉쇄 현상이라고 함
  • 이러한 기아 상태는 에이징으로 완화 가능

    기아 상태란?

    특정 프로세스의 우선순위가 낮아서 원하는 자원을 계속 할당 받지 못하는 상태

    에이징

• 프로세스가 양보할 수 있는 상한선을 정하는 방식

• 프로세스가 자신의 순서를 양보할 때마다 나이를 한 살씩 먹어 최대 몇 살까지만 양보하도록 규정하는 방식

• 에이징 값을 어떤 기준으로 정할 것인지 문제가 있어 한계가 있음

3.3 라운드 로빈 스케줄링(RR Round Robin)

• 한 프로세스가 할당 받은 시간(타임 슬라이스)동안 작업을 하다가 완료하지 못하면 준비 큐의 맨 뒤로 가서 자기 차례를 기다리는 방식
• 프로세스들이 작업을 완료할 때까지 계속 순환하면서 실행됨
• 선입선출 알고리즘과 유사하지만, 각 프로세스마다 CPU를 사용할 수 있는 최대 시간(타임 슬라이스)가 있음
• 문맥 교환 시간이 추가됨

3.4 SRT 우선 스케줄링(Shortest Remaining Time)(최소 잔류 시간 우선 스케줄링)

• SJF 스케줄링과 라운드 로빈 스케줄링을 혼합한 방식(SJF의 선점형 버전)
• 라운드 로빈은 준비 큐에 있는 순서대로 CPU를 할당한다면 SRT 우선 스케줄링은 남은 작업 시간이 적은 프로세스에 CPU를 먼저 할당함

단점

• 현재 실행 중인 프로세스와 큐에 있는 프로세스의 남은 시간을 주기적으로 계산하고, 남은 시간이 더 적은 프로세스와 문맥 교환을 해야 하므로 작업이 추가됨
• SJF 스케줄링과 마찬가지로 운영체제가 프로세스 종료 시간을 예측하기 어렵고 아사 현상이 발생함

3.5 우선순위 스케줄링

• 프로세스의 우선순위에 따라 스케줄링하는 방식. 어떤 기준으로 우선순위를 정하느냐에 따라 다양하게 구현 가능함

• 시스템의 효율성이 아니라 프로세스의 중요도를 기준으로 결정됨(커널 > 일반 프로세스)

• 우선순위 스케줄링은 비선점형과 선점형 방식에 모두 적용 가능함!

  • SJF 스케줄링(비선점형): 작업 시간이 짧은 프로세스에 높은 우선순위 부여
  • SRT 스케줄링(선점형): 남은 시간이 짧은 프로세스에 높은 우선 순위 부여

• 고정 우선순위 알고리즘

  • 한 번 우선순위를 부여받으면 종료될 때까지 우선순위가 고정됨
  • 단순하게 구현 가능하지만 시시각각 변하는 시스템 상황을 반영하지 못해 효율성 떨어짐

• 변동 우선순위 알고리즘

  • 일정시간마다 변하는 우선순위를 새로 계산함
  • 시스템이 복잡하지만 상황을 시시각각 반영하여 효율적으로 운영가능함

3.6 다단계 큐 스케줄링(MLQ Multi-Level Queue)

• 우선순위에 따라 준비 큐를 여러 개 사용하는 방식
• 프로세스는 운영체제에게 부여받은 우선순위(고정형 우선순위)에 따라 해당 우선순위의 큐에 삽입됨
• 상단 큐에 있는 모든 프로세스의 작업이 끝나야 다음 우선순위 큐의 작업이 시작됨
• 각 단계의 큐에 라운드 로빈 방식을 사용함

3.7 다단계 피드백 큐 스케줄링(MLFQ Multi-Level Feedback Queue)

• 오늘날 운영체제가 CPU 스케줄링을 할 때 일반적으로 사용하는 방식
• MLQ 방식에서 우선순위가 낮은 프로세스의 작업이 연기되는 문제점을 보완한 방식
• 프로세스가 CPU를 사용한 후 우선순위가 낮아져서 원래 큐로 되돌아가지 않고 하나 낮은 큐의 끝으로 들어감(그렇다고 커널 프로세스가 일반 프로세스의 큐에 삽입되지는 않음)
• 우선순위에 따라 타임 슬라이스의 크기가 다름(우선순위가 낮을수록 타임슬라이스 커짐)
• 따라서 마지막 큐(우선순위가 가장 낮은) 프로세스는 무한대의 타임 슬라이스를 얻게됨(프로세스가 실행 상태에 들어가면 CPU를 빼앗기지 않고 끝까지 작업을 마친다는 뜻) -> FCFS 스케줄링 방식으로 동작함

참조 📚 쉽게 배우는 운영체제

사용자가 운영체제에게 작업을 요구하면 그만큼 프로세스의 수가 늘어남!

프로세스를 생성하면 PCB가 생성되고 메모리의 코드, 데이터, 스택, 힙 영역을 만들어줘야 하는데, 프로세스의 수가 많아지면 프로세스의 수만큼 이것들을 만들어줘야 하기 때문에 너무 무거워짐

예를 들어, 웹 브라우저의 탭을 20개 열면 프로세스의 복사가 20번이나 일어나게 되는 것임...

결국 웹브라우저가 메모리를 너무 많이 차지하게 됨..!

그래서 개발자들이 고안해낸 것이 쓰레드

1. 쓰레드란?

• lightwight process
• 프로세스 내에서 독립적으로 실행되는 CPU 수행 단위
• 한 개의 프로세스 내에 1개의 쓰레드가 있을 수 있고 10개의 쓰레드가 있을 수 있음

2. 쓰레드의 메모리 공간

• 프로세스 내에서 메모리를 공유하지만 자신만의 독립된 메모리 공간을 가짐

• 공유하는 메모리

  • PCB, 코드, 데이터, 힙 영역

• 독립적인 메모리

  • 각 쓰레드가 개별적으로 가지는 스택 메모리(함수 호출시 사용되는 지역 변수와 반환 주소 등이 저장)

3. 쓰레드 제어 블록(TCB)

• 프로세스 내의 여러 쓰레드를 구분하기 위해 쓰레드 아이디를 부여하고 관리하기 위한 장치

4. 쓰레드의 장점

✔️ 응답성 다중 쓰레드로 구성된 테스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 waiting 상태인 동안에도 동일한 테스크 내의 다른 쓰레드가 실행되어 빠른 처리를 할 수 있다. (웹 브라우저에서 이미지를 읽어오는 쓰레드와 텍스트를 읽어오는 쓰레드가 동시에 실행되어 빠르게 읽어올 수 있음)

✔️ 자원 공유 프로세스 내의 코드, 데이터 등을 공유하기 때문에 효율성이 높음

✔️ 경제성 프로세스와 비교했을 때, 쓰레드 생성, CPU switching의 오버헤드가 각각 30배, 5배 차이가 남(Solaris)

5. 쓰레드의 단점

✔️ 안전성 쓰레드들은 동일한 주소 공간의 코드, 데이터, 힙 영역을 공유하고, 열린 파일과 같은 프로세스의 자원을 공유하기 때문에 멀티쓰레드 환경에서는 한 쓰레드에 생긴 문제가 프로세스 전체의 문제가 될 수 있다는 단점이 있음

참조 👨🏻‍🏫 이화여자대학교 운영체제 강의 👨🏻‍🏫 그림으로 쉽게 배우는 운영체제 - 인프런 📚 이것이 취업을 위한 컴퓨터 과학이다 with CS 기술 면접

** 프로세스란?**

• 실행중인 프로그램을 뜻한다.

프로세스의 문맥(context)

• 프로세스가 현재 어떤 상태에서 수행되고 있는지 정확히 규정하기 위해 필요한 정보를 의미

  프로세스 문맥의 세 가지 분류

  1️⃣ 하드웨어 문맥
  • CPU의 수행 상태를 나타냄
  • 프로그램의 카운터 값과 각종 레지스터에 저장하고 있는 값들을 의미 2️⃣ 프로세스의 주소 공간
  • 프로세스는 코드, 데이터, 스택으로 구성된 자신만의 독자적인 주소 공간을 가짐 3️⃣ 커널상의 문맥
  • 프로세스를 관리하기 위한 자료구조(PCB와 커널 스택)

2. 프로세스의 상태

프로세스는 상태가 변경되며 수행된다!

✔️ 활성 상태(active)

• 생성(create)

  • 프로세스가 메모리에 올라와 실행 준비를 완료한 상태. 프로세스를 관리하는 데 필요한 PCB가 생성된다

• 준비(ready)

  • 생성된 프로세스가 CPU를 얻을 때까지 기다리는 상태

• 실행(running, execute)

  • 준비 상태에 있는 프로세스중 하나가 CPU를 보유하고, 기계어 명령을 실행하고 있는 상태

• 대기(blocking)

  • 실행 상태에 있는 프로세스가 입출력을 요청하면 입출력이 완료될 때까지 기다리는 상태

• 완료(terminated)

  • 실행 상태의 프로세스가 주어진 시간 동안 작업을 마치면 완료 상태로 진입함.
  • PCB가 사라진 상태

  ---

  ✔️ 비활성 상태 (inactive)

• 휴식(pause)

  • 프로세스가 작업을 일시적으로 쉬고 있는 상태

• 보류(suspended)

  • 중기 스케줄러의 등장으로 추가된 상태
  • 프로세스가 외부적인 이유로 인해 메모리에서 쫓겨난 상태
  • 메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때
  • 프로그램에 오류가 있어서 실행을 미루어야할 때
  • 입출력을 기다리는 프로세스의 입출력이 계속 지연될 때
  • 통째로 디스크에 swap out 된다

문맥교환이란?

실행시킬 프로세스를 변경하기 위해 원래 수행 중이던 프로세스의 문맥을 저장하고 새로운 프로세스의 문맥을 세팅하는 과정을 문맥교환이라고 한다.

• CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
• CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

3. 프로세스 제어블록(PCB)

PCB(Process Controll Block)란?

운영체제가 시스템내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 정보들을 담는 커널 내의 자료구조

• 프로세스의 구성 요소

  • 프로세스의 상태
    • 프로그램 카운터의 값
    • CPU 레지스터의 값
    • CPU 스케줄링 정보
    • 메모리 관리 정보
    • 자원 사용 정보
    • 입출력 상태 정보

4. 스케줄러

운영체제 안에 있는 코드의 일부!

✔️ 장기 스케줄러(Job scheduler)

• 시분할 시스템에는 장기스케줄러가 없음! (무조건 ready)
• 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
• 프로세스에 메모리를 주는 문제
• degree of Multiprogramming: 메모리에 프로세스 여러개가 올라가는 것

  ✔️ 단기 스케줄러(CPU scheduler)

• 자주 호출됨(타이머 인터럽트가 걸릴 때 마다 호출)
• 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정
• 프로세스에 CPU를 주는 문제

  ✔️ 중기 스케줄러(Swapper)

• 시분할 시스템이 장기스케줄러를 두지 않는 대신에 두는 스케줄러
• 메모리가 부족할 때 특정 프로세스를 쫓아내는 역할
• 프로세스에서 메모리를 뺏는 역할
• degree of Multiprogramming을 제어

5. 프로세스의 생성

"시스템이 부팅된 후 최초의 프로세스는 운영체제가 직접 생성하지만 그다음부터는 이미 존재하는 프로세스가 다른 프로세스를 복제 생성하게 된다" (운영체제와 정보기술의 원리, 반효경, 2023, p. 131)

• 프로세스를 생성한 프로세스: 부모 프로세스
• 새롭게 생성된 프로세스: 자식 프로세스
• 프로세스는 족보와 같은 계층을 형성하게 된다.
• 자식이 먼저 죽고, 이에 대한 처리는 자식을 생성했던 부모 프로세스가 담당

✔️ 자원을 획득하는 방법

• 운영체제로 부터 직접 할당
• 부모 프로세스와 자원을 공유해서 사용

✔️ 프로세스가 수행되는 모델

• 부모와 자식이 공존하며 수행되는 모델

  • 자식과 부모가 같이 CPU를 획득하기 위해 경쟁하는 관계가 됨

• 부모가 자식의 종료를 기다리는 모델(wait)

  • 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스는 아무 일도 하지 않고 봉쇄 상태에 머물러 있음
  • 자식 프로세스가 종료되면 그때 부모 프로세스가 준비 상태가 되어 다시 CPU를 얻을 권한이 생김

✔️ 주소 공간

• 자식은 부모의 주소 공간을 그대로 복사해서 생성함
• 자식이 새로운 프로그램을 수행하기 위해서는 그 위에 새로운 주소공간의 주소 공간을 덮어씌움

5.1 프로세스 생성(유닉스)

✔️ fork() 시스템 콜

• 유닉스에서는 fork() 시스템 콜을 통해 새로운 자식 프로세스를 생성함
• 프로세스 ID를 제외한 모든 정보를 그대로 복사
• 주소 공간은 따로 갖게 되지만 주소 공간 내에는 동일한 내용을 가짐
• 함수의 결괏값으로 부모에게는 양수를 주고 자식에게는 0을 줌

✔️ exec() 시스템 콜

• exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램으로 주소 공간을 덮어씌울 수 있음
• 프로세스가 지금까지 수행했던 상태를 잊어버리고 그 주소 공간을 완전히 새로운 프로그램으로 덮어씌운 후 새로운 프로그램의 첫 부분부터 다시 실행을 시작하도록 함

✔️ wait() 시스템 콜

• 자식 프로세스가 종료되기를 기다리며 부모 프로세스가 봉쇄 상태에 머무르도록 함
• 자식 프로세스가 종료되면 부모를 준비 상태로 변경시켜 작업을 재개

5.2 프로세스 종료

1️⃣ 자발적 종료

• 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에 이를 알려줌
• 프로그램이 마쳐지는 코드 부분에 exit() 시스템 콜 넣어줌

2️⃣ 비자발적 종료(강제 종료)

• 부모 프로세스가 자식 프로세스의 수행을 강제로 종료시킴(abort())

• 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어서는 많은 양의 자원을 요구할 때

• 자식에게 할당된 작업이 더 이상 필요하지 않을 때

• 부모 프로세스가 종료(exit)되는 경우 -> 단계적인 종료 발생

6. 프로세스 간의 협력

✔️ 독립적인 프로세스

• 프로세스는 각자의 독립적인 주소 공간을 가지고 수행되므로 원칙적으로 프로세스가 다른 프로세스의 주소 공간을 참조하는 것은 허용되지 않음

✔️ 협력 프로세스(IPC: Inter-Process Communication)

• 독립적인 프로세스들이 협력할 때 업무의 효율성이 증진될 수 있음
• 프로세스간 협력 매커니즘 1️⃣ 메세지 전달 커널을 통해 메시지를 전달함 2️⃣ 공유메모리 프로세스들이 주소 공간의 일부를 공유함 -> 서로의 데이터에 일관성 문제가 유발될 수 있음

참조 👨🏻‍🏫 이화여자대학교 운영체제 강의 📚 운영체제와 정보기술의 원리 📚 쉽게 배우는 운영체제

device controller: 각각의 장치마다 붙어있는 작은 CPU local buffer: 각각의 장치마다 붙어있는 작은 메모리(데이터를 임시로 저장)

1. Mode bit

• CPU에서 기계어를 실행할 때 운영체제가 실행하는 것인지, 사용자가 실행하는 것인지 구분하기 위해서 사용하는 것
• 시스템 모드(커널 모드)
  • mode bit 0: 운영체제가 CPU를 사용하는 상태. 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어도 수행 가능(모든 작업이 수행 가능하다는 뜻)
  • 보안을 해칠 수 있는 중요한 명령어는 모니터 모드에서만 수행가능한 특권 명령으로 규정
  • Interrupt나 Exeption(권한이 없는 명령어 실행시) 발생시 하드웨어가 mode bit을 0으로 바꿈
• 사용자 모드
  • mode bit 1: 운영체제가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨준 상태. 사용자 프로그램은 완벽히 믿을 수가 없어서(무한루프, 메모리를 무한정 잡아먹는 것 등등..) 위험한 기계어는 사용하지 못하고 안전한 기계어만 실행 가능
  • 사용자 프로그램에 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 세팅

2. Interrupt line

• CPU에 인터럽트 라인이 붙어있음. CPU는 기계어를 실행하기 전에 이곳에 인터럽트가 발생 되었는지 확인

• Interrupt

  • 느린 장치들에게 일을 시키고 CPU는 다른 일을 하다가 느린 장치들이 일을 완료하면 CPU에게 인터럽트를 건다
  • 그러면 자동으로 CPU는 운영체제에 넘어가서 mode bit이 0으로 바뀜
  • 운영체제가 CPU를 받아서 인터럽트 이후의 일을 수행할 수 있게 해줌

    3. Register

• 다양한 연산을 저장하기 위해서 빠르고 작은 크기의 레지스터들이 CPU안에 들어있음

• Program counter register(PC)는 다음번에 실행할 기계어의 메모리 주소를 갖고 있다

4. Timer

• 사용자 프로그램이 무리하게 CPU를 사용하고 있을 때 운영체제가 뺏어오도록 도와주는 하드웨어
  • CPU의 독점을 막기 위해서 존재
• 짧은 시간 간격으로 CPU를 나눠 쓸 수 있게 함
• 타이머가 인터럽트를 발생시키는 과정
  • 운체가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘길 때 타이머에 시간을 세팅해서 넘겨줌
  • 타이머는 일정시간으로 인터럽트를 발생시킴
  • 사용자 프로그램이 무한루프를 도는 등 CPU를 독점하더라도 타이머가 인터럽트를 발생시켜서 운영체제로 CPU가 넘어가게 됨

5. 시스템 콜

• 사용자 프로그램이 운영체제의 서비스(특권명령)를 받기 위해 커널 함수를 호출하는 것
• 사용자 process는 User Mode에서 실행되다가 시스템 자원을 사용해야할 때 시스템 콜을 호출해서 커널 모드로 전환되어 작업을 수행하고 완료 시 다시 사용자 모드로 전환한다
• 사용자 프로그램이 스스로가 할 수 없는 일을 운체에게 부탁하기 위해 자신의 코드를 통해 인터럽트를 거는 것(소프트웨어 인터럽트, Trap)

6. 인터럽트(CPU가 운영체제한테 넘어오는 경우)

• 인터럽트 당한 시점의 레지스터와 pc를 저장한 후 CPU의 제어를 인터럽트 처리 루틴에 넘긴다
• Interrupt(하드웨어 인터럽트): 하드웨어가 발생시킨 인터럽트
• Trap(소프트웨어 인터럽트)
  • 시스템콜: 프로그램이 커널 함수를 호출하는 경우
  • Exception: 프로그램이 오류를 범한 경우
• 인터럽트 벡터
  • 인터럽트 종류별로 해당하는 인터럽트가 발생했을 때, 실행해야하는 코드의 위치를 저장
  • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있음. 일종의 주소에 대한 포인터
• 인터럽트 처리 루틴(인터럽트 핸들러)
  • 운영체제 커널에 있는 함수
  • 해당 인터럽트에서 무슨 일을 해야하는 지 적혀있음

7. Device Controller

• I/O device controller
  • 해당 I/O device controller를 관리하는 일종의 작은 CPU
  • 제어 정보를 위해 controll register, status register를 가짐
  • I/O는 실제 device와 local buffer 사이에서 일어남
  • I/O가 끝났을 경우 인터럽트로 CPU에 그 사실을 알림
• device driver(장치 구동기)
  • 운영체제 안에 있는 코드 중 각 장치별 처리 루틴, CPU가 수행하는 코드 → 소프트웨어
• device controller(장치제어기)
  • 각 장치를 통제하는 일종의 작은 CPU, 여기서 수행되는 코드는 펌웨어 → 하드웨어

8. 동기식 입출력과 비동기식 입출력

*두 경우 모두 I/O의 완료는 인터럽트로 알려줌 *

• 동기식 입출력(synchronous)
  • I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어감
• 비동기식 입출력(asynchronous)
  • I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어감

9. DMA(Direct Memory Access)

• 빠른 입출력 장치를 메모리에 가까운 속도로 처리하기 위해 사용
• CPU의 중재 없이 디바이스 컨트롤러가 buffer storage의 내용을 메모리에 block 단위로 직접 전송
• 따라서 바이트 단위로 인터럽트를 발생시키는 것이 아니라 block 단위로 발생시킴 → 인터럽트 발생 빈도 낮아지고, CPU 더 효율적으로 사용 가능

10. 프로그램의 실행(메모리 load)

• 프로그램이 실행되는 단계
  • 프로그램은 파일 시스템에 실행 파일 형태로 저장되어있음
  • 실행시키면 프로그램이 메모리에 올라가서 프로세스가 됨
  • 운영체제의 커널은 메모리에 기본적으로 올라가 있음
• Virtual memory
  • 프로그램이 실행될 때 만들어지는 그 프로그램 만의 독자적인 Address space
  • Physical memory(물리적 주소)와 Virtual memory(논리적 주소)는 다른 주소. 그래서 주소 변환이 필요함
  • code: cpu를 실행할 기계어 코드
  • data: 배열, 변수나 자료구조, 전역변수. 프로그램이 시작해서 끝날 때까지 남아있는 변수
  • stack: 함수 내의 지역변수 위치, 함수 호출 리턴 시 데이터를 쌓는다

11. 커널 주소 공간의 내용

• 운영체제의 모든 하드웨어들을 관리하기 위한 자료구조들을 가지고 있고,
• 현재 실행중인 모든 프로세스들을 관리하기 위한 자료구조들을 가지고 있음 == PCB
• 커널의 스택은 각 프로세스마다 별도로 두고 있음

12. 사용자 프로그램이 사용하는 함수

• 사용자 정의 함수

  • 자신이 프로그램에서 정의한 함수

• 라이브러리 함수

  • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
  • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다

• 커널 함수

  • 운영체제 프로그램의 함수
  • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜

  참조 👨🏻‍🏫 이화여자대학교 운영체제 강의 📚 운영체제와 정보기술의 원리

• 컴퓨터 사용자와 하드웨어 사이의 중개자 역할
• 컴퓨터 하드웨어를 관리하는 소프트웨어

컴퓨터 하드웨어를 효율적으로 관리하여 성능을 높이고, 사용자에게 편의를 제공하는 프로그램(S/W).

2. 운영체제의 목적

💡 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경을 제공

• 여러 사용자 및 프로그램들에게 각각 독자적으로 컴퓨터를 사용하는 것과 같은 ‘환상’을 제공하는 것
• 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행 (ex. 사용자는 파일이 디스크에 어떻게 저장되는 지 모르지만 운영체제가 쉽게 해줌)

💡 컴퓨터 시스켐의 자원을 효율적으로 관리

• CPU, 메모리, I/O 장치 등을 효율적으로 관리
  • 주어진 자원으로 최대한의 성능을 내도록 → 효율성
  • 특정 사용자/프로그램의 지나친 불이익이 발생하지 않도록 → 형평성
• 사용자 및 운영체제 자신의 보호

3. 운영 체제의 분류

💡 동시 작업 가능 여부

• 단일 작업: 한 번에 하나의 작업만 처리
• 다중 작업(멀티테스킹): 동시에 두 개 이상의 작업 처리

  💡 처리 방식

  • 일괄 처리(batch processing) – 요청된 작업을 일정량씩 모아서 한꺼번에 처리하는 방식 – 작업이 완전 종료될 때까지 기다려야함(응답 시간이 길다)
• 시분할(time sharing) – 여러 작업을 수행할 때 컴퓨터 처리 능력을 일정한 시간 단위로 분할하여 사용 – CPU의 작업시간을 여러 프로그램들이 조금씩 나누어 쓰는 시스템 – 일괄 처리 방식에 비해 짧은 응답 시간을 가짐 ex) 유닉스
• 실시간(Realtime OS) – 정해진 시간 안에 어떠한 일이 반드시 종료됨이 보장되어야 하는 실시간 시스템을 위한 OS – 원자로, 공장 제어 시스템, 미사일 제어 시스템 등에 사용

  4. 기타 용어

• Multitasking
• Multi-programming system(다중 프로그래밍 시스템) 메모리 공간을 분할해 여러 프로그램들을 동시에 메모리에 올려놓고 처리하는 시스템
• Time sharing: CPU의 시간을 분할하여 나누어 씀
• Multiprocess
• Multi-processor: 하나의 컴퓨터에 CPU가 여러 개 붙어 있음을 의미

참조 👨🏻‍🏫 이화여자대학교 운영체제 강의 📚 운영체제와 정보기술의 원리