사용 교재 : 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제

KT 에이블 스쿨의 에이블러분들과 진행하는 스터디입니다.

9. 운영체제 개관

09-1. 운영체제를 알아야 하는 이유

운영체제란

• CPU, 메모리, 보조기억장치 등은 모두 프로그램 실행에 필요한 자원이다.
• 운영체제는 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당해주고, 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램이다.
  • 프로그램이므로 여느 프로그램과 마찬가지로 메모리에 적재되어 실행된다.
  • 컴퓨터 부팅 시 메모리 내 커널 영역이라는 특별한 공간에 따로 적재된다.
• 운영체제는 다른 응용 프로그램들이 서로 겹치지 않도록 적당한 공간에 적재하고, 사용하지 않는 프로그램을 메모리에서 삭제하는 등 메모리 자원을 관리한다.
• 또한 동시에 여러 프로그램이 실행될 수 있도록 CPU 스케줄링을 한다.
• 운영체제에서도 관리할 자원별로 기능이 나누어져있어, 어느 한 부분은 메모리를, 어느 한 부분은 하드디스크를, 어느 한 부분은 프로세스를.. 과 같은식으로 관리한다.

운영체제를 알아야 하는 이유

• 하드웨어를 조작하고 관리하는 기능을 제공한다. → 프로그램 개발 시 이러한 코드를 일일히 작성할 필요가 없다.
• 운영체제를 알아야하는 이유는 코드가 어떻게 실행되고, 어떤 문제가 있었는지를 운영체제가 제공하기 때문에, 제공한 정보를 이해하고 문제를 해결하기 위해 운영체제를 알아야 한다.

09-2 운영체제의 큰 그림

커널

• 운영체제의 핵심 서비스를 담당하는 부분을 커널(kernel)이라고 한다.
• 운영체제가 제공하는 서비스 중 커널에 포함되지 않는 서비스에는 대표적으로 사용자 인터페이스(UI)가 있다.
  • 그저 컴퓨터와 상호작용하기 위한 통로일 뿐, 커널에 속한 기능은 아니다.

이중 모드와 시스템 호출

• 운영체제는 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 직접 접근하는 것을 방지하여 자원을 보호한다.
  • 이를 방지하기 위해 응용 프로그램은 오직 운영체제를 통해서만 자원에 접근할 수 있다.
  • 즉 응용 프로그램은 운영체제에 운영체제 코드를 실행하려 한다는 것을 요청하고, 운영체제가 해당 작업을 수행한다.
• 이러한 운영체제의 문지기 역할을 구현하기 위해 이중 모드를 사용한다.
• 이중 모드란 CPU가 명령어를 실행하는 모드를 사용자 모드와 커널 모드로 구분하는 방식을 말한다.
  • 사용자 모드 : 커널 영역의 코드를 실행할 수 없는 모드. 하드웨어에 접근하는 명령어를 실행할 수 없다. (프로그램을 실행하면 기본적으로 사용자 모드이다)
  • 커널 모드 : 커널 영역의 코드를 실행할 수 있는 모드 (운영체제가 실행되는 모드)
  • 두 모드는 플래그 레지스터 속 슈퍼바이저 플래그를 통해 알 수 있다.
• 사용자 모드의 프로그램이 자원에 접근하기 위해서는 운영체제에 시스템 콜(system call)이라는 요청을 보내야 한다.
  • 시스템 콜을 통해 프로그램은 커널 모드로 전환하여 운영체제 서비스(커널 영역 코드)를 제공받을 수 있다.
  • 이러한 시스템 콜은 일종의 인터럽트인데, 특정 명령어에 의해 발생하는 인터럽트이므로 소프트웨어 인터럽트라고 한다.
  • 즉 시스템 콜의 처리 과정은 인터럽트 처리 순서와 유사하다.

운영체제의 핵심 서비스

• 커널에 해당하는 부분이다.

프로세스 관리

• 프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미한다.
• 여러 프로세스가 동시에 실행되는 환경에서는 ‘프로세스 동기화’가 필수적이고, 프로세스가 더이상 실행되지 못하는 교착 상태를 해결해야 한다. (10 ~ 13장에서 자세히 다룸)

자원 접근 및 할당

• 운영체제는 각 자원을 어떻게 관리하고 어떤 기능을 제공할까?
• CPU
  • 어떤 프로세스부터 CPU를 이용할 것인지, 얼마나 오래 CPU를 이용하게 할 지를 결정하는 CPU 스케줄링 기능을 수행
• 메모리
  • 새로 프로그램이 실행될 때마다 어느 주소에 적재해야 할 지 결정
  • 메모리가 부족할 경우 이를 극복 (추후 자세히 학습)
• 입출력 장치
  • 인터럽트 서비스 루틴 제공 (CPU가 인터럽트를 해결하기 위한 프로그램이 바로 커널 영역에 있다)

파일 시스템 관리

• 보조기억장치 속 데이터의 생성, 삭제 조회를 관리

가상 머신과 이중 모드의 발전

• 현대 CPU는 가상 머신을 통한 가상화를 지원하여 사용자 모드, 커널 모드 외에 더 많은 모드를 제공한다.
• 가상 머신이란 소프트웨어적으로 만들어낸 가상 컴퓨터를 말하는데, 물리적인 컴퓨터와 같이 별도의 램, 보조기억장치, CPU 등을 갖고 있고 별도로 프로그램을 설치 및 실행할 수 있다.
• 가상 머신 또한 하나의 프로그램이므로 사용자 모드로 작동하는데, 이러면 가상 머신 상에서 작동하는 프로그램이 가상 머신 운영체제의 도움을 받지 못한다.
• 가상화를 지원하는 CPU는 이를 하이퍼바이저 모드로 해결한다.

시스템 호출의 종류

• 프로세스 관리 : 프로세스 생성/실행/종료/대기

• 파일 관리 : 파일 열기/닫기/읽기/쓰기, 정보 획득

• 디렉터리 관리 : 디렉터리 생성/변경/삭제

• 파일 시스템 관리 : 마운트 및 마운트 해제

• 프로그래밍 언어들은 내부적으로 위 시스템 호출을 통해 실행된다. (print, input 등)

• 운영체제 별로 다양한 시스템 호출의 종류가 있다.

10. 프로세스와 스레드

10-1. 프로세스 개요

• 프로그램은 실행 전에는 그저 데이터 덩어리이지만, 메모리에 적재되고 실행되는 순간 프로세스가 된다. 이 과정을 프로세스를 생성한다고 표현한다.

프로세스 직접 확인하기

• 포그라운드 프로세스 : 사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스
• 백그라운드 프로세스 : 사용자가 볼 수 없는 공간에서 실행되는 프로세스
  

• 그 중에서도 사용자와 상호작용하지 않고 정해진 일만 수행하는 프로세스를 서비스(윈도우) 또는 데몬(유닉스)이라 부른다.

프로세스 제어 블록

• CPU는 한번에 하나의 일만 할 수 있기 때문에, 프로세스는 차례대로 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU를 이용한다. → 타이머 인터럽트 발생 시 CPU 사용 종료
• 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 자원을 배분하기 위해 운영체제는 프로세스 제어 블록(PCB)를 이용한다.
  • 프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료 구조로 메모리의 커널 영역에 생성된다.
  • 각 프로세스를 식별하기 위한 일종의 태그 데이터를 저장한다.
  • 프로그램이 프로세스가 될 때 생성되며, 프로그램을 종료할 때 폐기된다.

프로세스에 담기는 정보

• 프로세스 ID (PID)
  • 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호
  • 같은 프로그램이라도 두번 실행하면 서로 다른 PID가 부여된다.
• 레지스터 값
  • 프로그램에 사용하던 레지스터 값들을 모두 저장해두었다가, 다시 CPU를 이용할 때 복원한다.
• 프로세스 상태
  • 프로세스가 어떤 상태인지에 대한 정보
• CPU 스케줄링 정보
  • 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보
• 메모리 관리 정보
  • 프로세스가 메모리의 어느 주소에 저장되어 있는지 알수 있는 정보
• 사용한 파일과 입출력장치 목록
  • 프로세스 실행과정에서 사용하였던 파일과 입출력 장치 기록

문맥 교환

• CPU에서 실행되는 프로세스가 교체될 때, 다음에 이어서 실행하기 위해 기존 프로세스가 사용하던 정보를 백업해야한다.
• 이렇게 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야할 정보를 문맥이라고 한다.
  • PCB에 기록되는 정보들이 문맥이라 할 수 있다.
• 타이머 인터럽트가 발생하거나, 예기치 못한 상황으로 인터럽트가 발생했을 때 운영체제는 PCB에 해당 프로세스의 문맥을 백업하고, 실행할 문맥을 PCB에서 가져온다.
• 이렇게 CPU의 기존 문맥을 백업하고, 실행할 문맥을 가져와 교체하는 과정을 문맥 교환이라고 한다.
  • 문맥 교환은 각 프로세스가 교체될 때마다 이루어진다.
  • 문맥 교환이 너무 잦으면 오버헤드가 발생할 수 있다.
    • 오버헤드 : 특정 기능을 실행하는데 걸리는 간접적인 시간, 메모리 등의 자원
      어떤 기능을 수행하는데 원래 2초가 걸리지만, 만약 3초가 걸렸다면 1초의 오버헤드가 발생한 것. (간접적인 원인으로 1초가 더 걸림)

프로세스의 메모리 영역

• 프로세스가 생성될 때 커널 영역에는 PCB가 저장되고, 사용자 영역에는 4가지 영역으로 나뉘어 프로세스가 저장된다.
• 코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역

코드 영역 (텍스트 영역)

• 실행할 수 있는 기계어 명령어가 저장되는 영역
• 읽기 전용 영역(read-only)이다.

데이터 영역

• 프로그램이 실행되는 동안 유지해야하는 데이터가 저장되는 영역
  • 전역 변수 등

💡 코드 영역, 데이터 영역은 프로세스 실행 내내 그 크기가 변하지 않는다. 이로인해 정적 할당 영역이라고 한다.

• 프로세스 실행 도중 변하지 않는 영역이므로 정적
  나머지 힙 영역, 스택 영역은 프로세스 실행 중 크기가 변하여 동적 할당 영역이라 한다.
• 프로세스 실행 도중 변할 수 있는 영역이므로 동적

힙 영역

• 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 영역
• 할당 받은 저장공간은 반드시 반환해야하며, 그렇지 않을 경우 메모리 누수(memory leak)가 발생한다.

스택 영역

• 데이터를 일시적으로 저장되는 공간으로, 프로그램 실행 중 필요에 따라 잠깐 사용하고 제거할 데이터가 저장되는 영역
• 매개 변수, 지역 변수 등

💡 힙 영역은 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소로, 스택 영역은 높은 주소에서 낮은 주소로 할당되어, 할당되는 주소가 겹치지 않게한다.

정확히는 충돌이 발생하는 순간을 가능한 늦춘다. (메모리가 꽉 차는 순간이 힙 데이터와 스택 데이터가 만나는 순간이므로)

10-2 프로세스 상태와 계층 구조

• 프로세스는 저마다의 상태가 있고, 이는 PCB에 기록된다.

프로세스 상태

생성 상태(new)

• 프로세스가 생성 중인 상태로, 프로그램이 메모리와 PCB에 적재된 후, 첫 CPU 할당을 받을 때 까지의 상태

준비 상태(ready)

• CPU의 할당을 기다리는 상태

실행 상태(running)

• CPU를 할당 받아 실행 중인 상태
• 준비 상태에서 실행 상태로 전환되는 것을 디스패치(dispatch)라고 한다.

대기 상태(blocked)

• 프로세스 실행 도중 입출력장치 인터럽트 등 특정 이벤트 발생하여, 입출력 완료 인터럽트를 받을 때까지 대기하고 있는 상태를 말한다.
• 대기 상태가 끝나면 다시 CPU 할당을 위한 준비 상태가 된다.

종료 상태(terminated)

• 프로세스가 종료된 상태이다.

프로세스 상태 다이어 그램

프로세스 계층 구조

• 프로세스는 다른 프로세스를 생성할 수 있다. 이 때 생성한 프로세스를 부모 프로세스, 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다. 자식 프로세스 역시 다른 프로세스의 부모가 될 수 있다.
• 일부 운영체제에서는 PCB에 부모 프로세스의 정보인 PPID를 기록하기도 한다.
• 이렇게 부모 프로세스와 자식 프로세스로 구성된 계층 구조를 프로세스 계층 구조라고 한다.
• 모든 계층 구조에서 최상단에 있는 루트 프로세스를 최초의 프로세스라고 한다.
  • 항상 1번 PID를 갖는다.
  • 운영체제마다 다른 이름을 사용한다 (유닉스 : init, mac : launchd 등)

프로세스 생성 기법

• fork와 exec라는 시스템 호출을 사용하여 자식 프로세스를 생성한다.
• 부모 프로세스는 fork 시스템 호출을 사용하여 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성한다.
  • PID나 메모리 위치 등은 다르다.
• 생성된 자식 프로세스는 exec 시스템 호출을 통해 현재 자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓴다.
  • 코드 영역과 데이터 영역의 내용이 실행할 프로그램으로 바뀌고, 나머지 영역은 초기화된다. (원래는 부모 프로세스가 갖고 있던 것)
• 부모 프로세스, 자식 프로세스 누구도 exec를 호출하지 않으면, 같은 코드를 병행하여 실행하는 프로세스가 된다.

10-3 스레드

• 스레드는 프로세스에서 실행의 단위이다.

프로세스와 스레드

• 단일 스레드 프로세스 : 프로세스에서 한번에 하나의 부분만 실행됨
• 멀티스레드 프로세스 : 프로세스 내에서 한번에 여러 부분이 실행됨 → 여러 명령어를 동시에 실행
  • 프로세스 내에서 각기 다른 스레드 ID, 프로그램 카운터 값, 레지스터값 등으로 구성되기 때문에 별개의 코드를 실행할 수 있다.
  • 프로세스가 보유한 자원(코드영역, 데이터영역, 힙영역, 스택영역)을 공유하면서 실행된다. 때문에 각 스레드는 실행에 필요한 최소한의 정보만 유지한 채 실행된다.

멀티프로세스와 멀티스레드

• 멀티프로세스 : 여러개의 프로세스를 동시에 실행
  • 프로세스를 fork하여 사용
  • 프로세스마다 각자 메모리를 차지하기 때문에 공간의 낭비가 될 수 있다.
• 멀티스레드 : 스레드를 통해 하나의 프로세스를 동시에 여러번 실행
  • 메모리에 실제 존재하는 것은 프로세스 하나
  • PCB에서 코드, 데이터, 힙 영역을 공유하고, 레지스터, 스택, 프로그램 카운터는 스레드별로 나누어 사용한다.
  • 스레드 하나에 문제가 생길경우 다른 스레드까지 영향을 받을 수 있다는 위험이 있다.

프로세스 간 통신 (IPC)

• 프로세스끼리도 자원을 공유하고, 데이터를 주고 받을 수 있다. 서로다른 프로세스, 스레드끼리 통신이 가능하다.
• 프로세스끼리 메모리를 공유하여 사용할 수도 있는데, 이 영역을 공유 메모리라고 한다.
  • 공유메모리에 있는 변수 등을 양쪽 프로세스 모두에서 사용할 수 있다.
• 이외에도 프로세스끼리 소켓, 파이프등을 통해 통신할 수 있다.