[CS] 운영체제 (3)

young-gue Park·2023년 11월 8일

CS 운영체제

CS

목록 보기

10/18

⚡ 운영체제 (3)

📌 스레드와 멀티스레딩

⭐ 스레드

🔷 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위

프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.
코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙을 스레드끼리 서로 공유한다. 그 외의 영역은 각각 생성된다.

⭐ 멀티스레딩

🔷 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법

스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.
새 프로세스 생성 대신 스레드를 사용하는 웹 서버는 훨씬 적은 리소스를 소비하고 작업의 중단 없이 빠른 처리가 가능하다.
동시성에 장점을 갖고 있다.
다만 한 스레드에 문제가 생길 때 연쇄적으로 다른 스레드에도 영향을 끼친다는 단점이 있다.

💡 동시성
서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것

📌 공유 자원과 임계 영역

⭐ 공유 자원 (Shared Resource)

🔷 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수

🔷 경쟁 상태 (race condition)

공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황
동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있다.

⭐ 임계 영역 (Critical Section)

🔷 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역

🔷 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 세 가지가 있으며 모두 잠금(lock) 매커니즘을 기반으로 한 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다.

🌈 화장실로 알아보는 임계 영역 해결 세 가지 조건
상호 배제: 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다. (문 잠금)
한정 대기: 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다. (나도 똥 좀 싸자!!)
융통성: 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 된다. (나오던 똥도 안나오니까 조용히 해라!)

🔷 임계 영역 해결 방법 세 가지

뮤텍스(Mutex)

프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고, 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체
잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 해제 전까지 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없다.

세마포어(Semaphore)

일반화된 뮤텍스로서 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(또는 p 함수), signal(또는 v 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

wait(): 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
signal(): 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수

세마포어에는 조건 변수가 없고, 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.

1) 바이너리 세마포어

0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어
구현은 뮤텍스와 유사하지만 뮤텍스가 잠금 기반이라면 세마포어는 신호 기반이라는 점에서 다르다.

2) 카운팅 세마포어

여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어
여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용

모니터

둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.
세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

⭐ 교착 상태 (Deadlock)

🔷 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

한 화장실을 두고 먼저 똥 싸려 하는 두 사람과 같다. (양보가 쉽지 않다.)

🔷 교착 상태의 원인

상호 배제

한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들의 접근을 불허한다.
3대 1000을 치는 사람이 혼자서 화장실을 독차지하고 들어오는 족족 팬다.

점유 대기

특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태이다.
그 남자 앞에서 오래 참아서 너무 급하다고 무릎 꿇고 빌고 있다.

비선점

다른 프로세스의 자원을 강제로 가져올 수 없다.
3대 1000치는 남자를 제끼고 들어갈 순 없는 법이다.

환형 대기

프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.
A: 나 그냥 니네 집에서 쌀래. B: 나는 니네 집에서 싸려 했는데?

🔷 교착 상태의 해결 방법

자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.

각자 다른 화장실을 주자.

교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘을 사용한다.

💡 은행원 알고리즘
총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘

국민은행 화장실 청소아주머니: 지금은 화장실 칸이 널널하니 전부 들어가세요.

교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.

3대 1000을 치는 남자가 화장실을 독점하다 검거되었다.

교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 크다. 그래서 현재 운영체제는 이런 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료하게 유도한다. 그 빡치는 '응답없음'의 이유 중 하나가 이런 교착 상태이다.

???: 화장실 사람 많다고 관리 직원을 배치해??? 다른 곳에 가서 싸든 바닥에 싸든 하라 하고 직원은 빼!!!

📌 CPU 스케줄링 알고리즘

⭐ CPU 스케줄러와 CPU 스케줄링 알고리즘

🔷 CPU 스케줄러는 CPU 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스에서 해야하는 일을 스레드 단위로 CPU에 할당한다.

프로그램이 실행될 때는 CPU 스케줄링 알고리즘이 어떤 프로그램에 CPU 소유권을 줄 것인지 결정한다.
이 알고리즘의 목표는 다음과 같다.

CPU 이용률은 높인다.
주어진 시간에 많은 일을 한다.
준비 큐(Ready queue)에 있는 프로세스는 적게 유지한다.
응답 시간은 짧게 설정한다.

⭐ 비선점형 방식

🔷 프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식

강제로 프로세스를 중지하지 않고 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적다.

FCFS(First Come, First Served)

가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
프로세스가 길게 수행 되어 준비 큐에서 오래 기다리는 현상이 발생할 수도 있다.

💡 Convoy Effects
CPU 사용시간이 긴 프로세스에 의해 사용시간이 짧은 프로세스들이 오래 기다리는 현상으로＂호위 효과 ” 라고도 하며, 이로 인해 평균 대기시간이 길어지게 된다.

SJF(Shortest Job First)

실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘
긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상(starvation)이 일어나며 평균 대기 시간이 가장 짧다.

💡 실제로는 실행 시간을 알 수 없기 때문에 과거의 실행 시간을 토대로 추측해서 사용한다.

우선순위

기존 SJF 스케줄링의 starvation을 보완하기 위해 오래된 작업일수록 우선 순위를 높이는 방법(aging)을 사용한 알고리즘

⭐ 선점형 방식

🔷 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식

현대 운영체제가 쓰는 방식이다!

1. 라운드 로빈(RR, Round Robin)

현대 컴퓨터가 쓰는 스케줄링인 우선순위 스케줄링(priority scheduling)의 일종
각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 간다.
일반적으로 전체 작업 시간은 길어지지만 평균 응답 시간은 짧아진다.
로드밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 쓰인다.

💡 로드밸런서
서버에 가해지는 부하(=로드)를 분산(=밸런싱)해주는 장치 또는 기술,
한 대의 서버로 부하가 집중되지 않도록 트래픽을 관리해 각각의 서버가 최적의 퍼포먼스를 보이게 한다.

2. SRF

중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘

3. 다단계 큐

우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것
프로세스 이동이 안 되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어진다.

young-gue Park

Hodie mihi, Cras tibi

이전 포스트

[CS] 운영체제 (2)

다음 포스트