🖥 운영체제(기초)에 대해서

1. 운영체제

1-1. 시스템 자원 관리

• 운영체제는 응용 프로그램이 하드웨어에게 일을 시킬 수 있도록 도와준다. 하드웨어를 구성하는 일을 하는 CPU, 자료를 저장하는 RAM, 디스크 등의 시스템 자원을 관리하는 주체가 운영체제이다.

1-2. 응용 프로그램 관리

• 모든 응용 프로그램이 시스템의 자원을 마음대로 사용하면, 공격에 무방비한 상태가 된다. 따라서 응용 프로그램은 권한에 대한 관리가 필요하다.

2. 응용 프로그램

• 응용 프로그램이 운영체제를 통해 컴퓨터에게 일을 시키려면, 컴퓨터를 조작할 수 있는 권한을 운영체제로 부터 부여받아야한다. 권한을 부여받고 난 후에, 운영체제가 제공하는 기능을 이용할 수 있다. 응용 프로그램이 운영체제와 소통하기 위해서는 운영체제가 응용 프로그램을 위해 인터페이스 (API)를 제공해야한다. 응용 프로그램이 시스템 자원을 사용할 수 있도록, 운영체제 차원에서 다양한 함수를 제공하는 것을 시스템 콜(system call)이라고 부른다.

3. 프로세스(Process)란?

• 운영체제에서는 실행 중인 하나의 애플리케이션을 프로세스라고 부른다. 사용자가 애플리케이션을 실행하면, 운영체제로부터 실행에 필요한 메모리를 할당받아 애플리케이션의 코드를 실행한다. 이때 실행되는 애플리케이션을 프로세스라고 부른다. 예를 들어 chrome 브라우저를 2개 실행하면 2개의 프로세스가 생성된다.

4. 스레드(Thread)란?

• 하나의 스레드는 코드가 실행되는 하나의 흐름이기 때문에, 한 프로세스 내에 스레드가 2개라면 코드가 실행되는 흐름이 2개 생긴다.
• 스레드의 특징
  • 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이다.
  • 각 스레드 마다 call stacked 존재한다.(call stack이란 실행 중인 서브루틴을 저장하는 자료 구조)
  • 스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작한다.

5. 멀티 태스킹(Multi-tasking)이란?

• 멀티 태스킹은 두가지 이상의 작업을 동시에 처리하는 것을 의미한다. 운영체제는 멀티 태스킹을 할 수 있도록, 프로세스마다 CPU 및 메모리 자원을 적절히 할당하고 병렬로 실행한다. 예를들어 워드로 문서작업을 하면서, 동시에 chrome 브라우저에서 음악을 들을 수 있다.
• 그러나 멀티 태스킹은 꼭 멀티 프로세스를 의미하는 것은 아니다. 하나의 프로세스 내에서 멀티 태스킹을 할 수 있도록 만들어진 애플리케이션도 있다. 이것이 가능한 이유는 멀티 스레드 때문이다.

6. 멀티 스레드(Multi-thread)란?

• 멀티 프로세스가 애플리케이션 단위의 멀티 태스킹이라면, 멀티 스레드는 애플리케이션 내부에서의 멀티 태스킹이라고 할 수 있다.
• 멀티 스레드는 대용량 데이터의 처리시간을 줄이기 위해 데이터를 분할하여 병렬로 처리하는데 사용할 수 있고, UI를 가지고 있는 애플리케이션에서 네트워크 통신을 하기 위해 사용할 수도 있다. 그리고 여러 클라이언트의 요청을 처리하는 서버를 개발할 때도 사용된다.
• 멀티 스레딩의 장점: 프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현하면, 메모리 공간과 시스템 자원의 소모가 줄어든다. 스레드 간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는 것이 아니라, 전역 변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap 영역을 이용한다. 따라서 프로세스 간 통신 방법(IPC)에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단하다. 시스템의 처리량(Throughput)이 향상되고 자원 소모가 줄어들어 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축된다. 이런 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠 수행한다.
• 멀티 스레딩의 문제점 : 멀티 프로세스 기반의 프로그래밍할때에는 프로세스 간 공유하는 자원이 없다. 따라서 동일한 자원에 접근하는 일이 없었지만, 멀티 스레딩을 기반으로 프로그래밍 할때에는 공유하는 자원에 대하여 고민이 필요하다. 서로 다른 스레드가 같은 데이터에 접근하고, 힙 영역을 공유하기 때문에 서로 다른 스레드가 서로 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정하는 일이 발생할 수 있다. 이때문에 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 제어하고, 공유 자원에 대한 접근을 제어해야한다.
• 동시에 돌릴 수 있는 스레드 수는 컴퓨터에 있는 코어 갯수로 제한된다. 운영체제(또는 가상 머신)는 각 스레드를 시간에 따라 분할하여, 여러 스레드가 일정 시간마다 돌아가면서 실행되도록 한다. 이런 방식을 시분할이라고 한다.
  
  • Concurrency(동시성, 병행성): 여러 개의 스레드가 시분할 방식으로 동시에 수행되는 거처럼 착각을 불러일으킨다.
  • Parallelism(병렬성): 멀티 코어 환경에서 여러개의 스레드가 동시에 수행됨.
• Context switching이란, 다른 테스크(프로세스, 스레드)가 시작할 수 있도록 이미 실행 중인 테스크(프로세스, 스레드)를 멈추는 것이다.