1. 운영체제란?

하드웨어를 관리하고, 컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 관리하며, 응용 프로그램과 하드웨어 간의 인터페이스로써 다른 응용 프로그램이 유용한 작업을 할 수 있도록 환경을 제공해준다.

즉, 사용자가 컴퓨터를 편리하고 효과적으로 사용할 수 있도록 환경을 제공하는 시스템 소프트웨어

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운영체제의 역할

1. 프로세스 관리

운영체제에서 작동하는 응용 프로그램을 관리하는 기능.

어떤 의미에서는 프로세스(CPU) 관리하는 것, 현재 CPU를 점유해야 할 프로세스를 결정하고, 실제로 CPU를 프로세스에 할당하며, 이 프로세스 간 공유 자원 접근과 통신 등을 관리하게 된다.

프로세스(Process)란?

프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것.
운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당 받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다.
구체적으로 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역 변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함한다. (프로세스마다 다른 데이터 섹션에 전역변수가 저장됨)
또한, 프로세스는 실행중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

PCB : 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조.
운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다.

• 프로세스의 진행상황 추적
• 프로세스간 전환이 발생 시 진행 상황을 저장 및 복원하는데 사용됨.
• 프로세스 ID, 프로세스 상태, 프로세스 카운터(프로세스가 다음에 실행할 명령어 주소) 등의 정보가 저장됨.
  따라서, 프로세스는 전환이 발생되면 진행되는 작업을 다시 저장하고 CPU를 반환하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게된다. 그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

스레드(Thread)

스레드는 프로세스의 실행 단위.
한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다.
구성 - 스레드ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택
하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원(코드, 데이터 섹션, 열린 파일, 신호)을 공유.
자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다.
이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있다.
(독립적인 메모리 영역에 저장됨)

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
스택 : 함수 호출 시 전달되는 인자, 반환 주소, 매개변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간
따라서 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것.
-> 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것.

**PC 레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타냄.
스레드는 CPU를 할당 받고 스케줄러에 의해 다시 선점 당함.
때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억 해야한다.
따라서, PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.

역할

• 프로세스, 스레드
• 스케줄링
• 동기화
• IPC 통신

2. 저장장치 관리

1차 저장장치에 해당하는 메인 메모리와 2차 저장장치에 해당하는 하드디스크, NAND등을 관리하는 기능이다.

• 1차 저장장치(Main Memory)
  - 프로세스에 할당하는 메모리 영역의 할당과 해제
  • 각 메모리 영역 간의 침범 방지
  • 메인 메모리의 효율적 활용을 위한 가상 메모리 기능
• 2차 저장장치(HDD, NAND Flash memory)
  - 파일 형식의 데이터 저장
  • 이런 파일 데이터 관리를 위한 파일 시스템을 OS에서 관리
  • FAT, NTFS, EXT2, JFS, XFS 등 많은 파일 시스템들이 개발되어 사용 중

역할

• 메모리 관리
• 가상 메모리
• 파일 시스템

3. 네트워킹

네트워킹은 컴퓨터 활용의 핵심과도 같아졌다.

역할

• TCP/IP
• 기타 프로토콜

TCP/IP 기반의 인터넷에 연결하거나, 응용 프로그램이 네트워크를 사용하려면 운영체제에서 네트워크 프로토콜을 지원해야 한다. 현재 상용 OS들은 많은 네트워크 프로토콜을 지원한다.

4. 사용자 관리

우리가 사용하는 PC는 오직 한 사람의 것일까? 아니다.

한 PC에서 여러 사람이 사용될 수도 있으므로 운영체제는 각 계정을 관리하는 기능이 필요함.
-> 파일이나 시스템 자원에 접근 권한을 지정할 수 있도록 지원하는 것이 사용자 관리 기능

역할

• 계정 관리
• 접근권한 관리

5. 디바이스 드라이버

운영체제는 시스템의 자원, 하드웨어를 관리한다. 시스템에는 여러 하드웨어가 붙어있음. 이들을 운영체제에서 인식하고 관리하게 만들어 응용 프로그램이 하드웨어를 사용할 수 있게 만들어야 함.

역할

• 순차접근 장치
• 임의접근 장치
• 네트워크 장치

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2. 프로세스와 스레드

프로세스 : 프로그램을 메모리 상에서 실행중인 작업
스레드 : 프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위

기본적으로 프로세스마다 최소 1개의 스레드 보유

프로세스는 각각 별도의 주소공간 할당(독립적)

• Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)
• Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등
  - 초기화 된 데이터는 data 영역에 저장
  • 초기화 되지 않은 데이터는 bss 영역에 저장
• Heap : 동적 할당 시 사용(new(), malloc())
• Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값

스레드는 stack만 독립적으로 할당받고 나머지 영역을 한 프로세스에서 서로 공유
하나의 프로세스가 생성될 때, 기본적으로 하나의 스레드 같이 생성.

프로세스끼린 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용하는데 반에
스레드는 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용된다. (코드, 데이터, 힙)

"왜 이렇게 공간을 나눈걸까?"

최대한 데이터를 공유하여 메모리 사용 효율성과 프로세스 실행의 유연성을 높이기 위함.

각 메모리를 구분함으로써 메모리 할당과, 접근 패턴을 최적화하고, 해당 접근에 맞는 메모리 영역만 구분하여 할당될 수 있다.

그러면 Stack과 Data는 왜 구분지었지?

스택의 구주의 특성과 전역 변수의 활용성을 위함.

위처럼 매개변수, 함수에 전달된 인자, 반환 주소 등은 나중에 들어간 것부터 종료된다.

따라서 스택을 활용하여 함수 호출에만 필요한 매개변수를 함수 내에서 참조 및 사용하고,
함수가 종료될 때 바로 제거한다.

프로그램의 함수와 지역변수는, LIFO(후입선출) 특성을 가진 스택에서 실행됨.

이로써 여러 함수에서 공통으로 쓰이는 전역 변수는 따로 지정해서 메모리를 아낄 수 있다.

메모리 구분을 물리적으로 했나?
아니다. 메모리 영역은 물리적으로 구분한 것이 아닌, 세그먼트라는 프로세스를 구분하는 논리적인 단위로 구분하였다.

운영체제는 이 세그먼트를 사용해 메모리를 구분한다.

멀티 프로세스

"하나의 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 병렬적으로 작업을 수행하는 것"

장점 : 안전성 (메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결)
단점 : 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있어, 작업량이 많을 수록 오버헤드 발생.
(Context Switching 으로 인한 성능 저하)

?. Context Switching
프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련 과정

즉, 동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순번의 프로세스가 동작하면서 자신이 이전에 보관한 프로세스 상태를 복구하는 과정.

-> 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받아 사용되므로, 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 문제가 존재함.

멀티 스레드

"하나의 응용 프로그램에서 여러 스레드를 구성해 각 스레드가 하나의 작업을 처리하는 것"

하나의 프로세서에서 여러개의 스레드가 동시에 실행되는 것이 아니다!
CPU는 하나의 스레드만 실행 가능하다. 따라서 멀티 스레드는 CPU에서 스레드가 할당받는 시간을 분할하여 작업을 할당 받는 것이다.
각 스레드가 일정시간동안 CPU를 할당받아 각 스레드가 작업을 처리하는 것.

장점 : 독립적인 프로세스에 비해 공유 메모리만큼의 시간, 자원 손실이 감소. 전역, 정적 변수 공유 가능.

단점 : 안전성 문제. 하나의 스레드가 데이터 공간을 망가뜨리면 모든 스레드가 작동 불가능. (공유 메모리라)

• 위 문제에 대한 단점은 Critical Section 기법을 통해 대비한다.
  - 하나의 스레드가 공유 데이터 값을 변경하는 시점에 다른 스레드가 그 값을 읽으려 할 때 발생하는 문제를 해결하기 위한 동기화 과정.
  • 상호 배체 , 진행 , 한정된 대기 를 충족해야함.
  • 대표적으로 Locking 기법이 있다
    • 하나의 스레드가 공유 자원에 접근 시 Lock을 흭득하고 작업 완료 후 Lock을 해제하는 방식
    • 다른 스레드는 Lock이 해제될 때까지 기다린다.

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3. 인터럽트(Interrupt)

정의 : 프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생한 경우 현재 실행 중인 작업을 즉시 중단하고, 발생된 상황에 대한 우선 처리가 필요함을 CPU에게 알리는 것.

현재 수행중인 일보다 더 중요한 일(ex. 입출력, 우선 순위 연산) 등이 발생하면 그 일을 먼저 처리하고 나서 하던 일을 계속 해야한다.
-> 시스템이 외부 또는 내부의 사건에 반응해야 할 때.

외부/내부 인터럽트 : CPU의 하드웨어 신호에 의해 발생
소프트웨어 인터럽트 : 명령어의 수행에 의해 발생

외부 인터럽트

• 입출력 장치, 타이밍 장치, 전원 등 외부적인 요인으로 발생
• 전원 이상 , 기계 착오 , 외부 신호 , 입출력

내부 인터럽트

• Trap 이라고 부르며, 잘못된 명령이나 데이터를 사용할 때 발생
• 0으로 나누기, 오버플로우, 명령어 잘못 사용한 경우 발생

소프트웨어 인터럽트

• 프로그램 처리 중 명령의 요청에 의해 발생한 것 (SVC 인터럽트)
• 소프트웨어 이용 중 다른 프로세스를 실행시키면 시분할 처리를 위해 자원 할당 동작이 수행된다.

인터럽트 발생 처리 과정

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프로그램 실행 중 인터럽트 발생.
1. 발생된 장치에서 인터럽트 요청 신호는 CPU에 보낸다.
2. CPU는 현재 수행 중인 프로그램을 멈추고, 인터럽트 요청 신호를 검출한다.
3. 인터럽트 응답 전, CPU는 현재 작업 상태(상태 레지스터, 프로그램 카운터(PC)) 등을 스택에 저장.
4. 인터럽트의 식별자를 통해 인터럽트 서비스 루틴(ISR)의 주소로 점프하여 ISR을 실행시킨다.
(ISR은 인터럽트를 처리하는 코드. 해당 장치의 드라이버나 운영체제 일부일 수 있다.)
5. ISR을 완료하면. CPU는 인터럽트 발생 전 저장된 작업 상태를 복원하여 중단된 프로그램을 계속 실행시킬 수 있도록 한다.

인터럽트가 없었다면?

컨트롤러는 특정한 어떤 일을 할 시기를 알기 위해 계속 체크 해야함.(이를 폴링이라고 한다)
폴링을 하는 시간에 원래 일에 집중할 수 없어 기능이 제대로 수행되지 못한다.

컨트롤러가 입력을 받아들이는 방법 두가지

폴링 방식
사용자가 명령어를 사용해 입력 핀의 값을 계속 읽어 변화를 알아내는 방식

인터럽트 요청 플래그를 차례로 비교하여 우선순위가 가장 높은 인터럽트 자원을 찾아 이에 맞는 인터럽트 서비스 루틴을 수행한다. (하드웨어에 비해 속도가 느림)

인터럽트 방식
MCU 자체가 하드웨어적으로 변화를 체크하여 변화 시에만 일정한 동작을 하는 방식

• Daisy Chain
• 병렬 우선순위 부여

인터럽트 방식은 하드웨어로 지원을 받아야 하는 제약이 있지만, 폴링에 비해 신속하게 대응가능.
따라서 실시간 대응이 필요할 때는 필수적인 기능
즉, 인터럽트는 발생시기를 예측하기 힘든 경우 컨트롤러가 가장 빠르게 대응할 수 있는 방법

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4. 시스템 콜(System Call)

"시스템 콜은 일반적으로 하드웨어와 상호작용을 하기위해 운영체제의 기능을 실한다."

fork(), exec(), wait()와 같은 것들은 Process 생성과 제어를 위한 System Call

• fork, exec는 새로는 Process 생성과 관련이 있다.
• wait는 Process(Parent)가 만든 다른 Process(child)가 끝날 때까지 기다리는 명령어.

Fork

현재 프로세스와 같은 프로그램 코드를 가진 자식 프로세를 생성한다.
동일한 코드를 실행하지만 자체적인 프로세스 ID와 메모리 공간을 가진다.

🎨 코드

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("pid : %d", (int) getpid()); // pid : 29146
    
    int rc = fork();					// 주목
    
    if (rc < 0) {
        exit(1);
    }									// (1) fork 실패
    else if (rc == 0) {					// (2) child 인 경우 (fork 값이 0)
        printf("child (pid : %d)", (int) getpid());
    }
    else {								// (3) parent case
        printf("parent of %d (pid : %d)", rc, (int)getpid());
    }
}

pid : 29146

parent of 29147 (pid : 29146)

child (pid : 29147)

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[해석]
int rc = fork() 에서 rc에는 부모 프로세스와 자식 프로세스 코드에서 다르게 저장됨.

• 스케줄러가 부모 프로세스 먼저 수행 시 rc에는 자식 프로세스의 PID가 저장
• 스케줄러가 자식 프로세스 먼저 수행 시 rc에는 0이 저장된다.

따라서 if문에서는

• 부모 프로세스 먼저 실행 시 else{... 먼저 실행됨
• 자식 프로세스 먼저 실행 시 else if(rc == 0){ .. 먼저 실행됨

wait

작업 프로세스가 종료될 때까지 기다리는 작업

🎨 코드

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("pid : %d", (int) getpid()); // pid : 29146
    
    int rc = fork();					// 주목
    
    if (rc < 0) {
        exit(1);
    }									// (1) fork 실패
    else if (rc == 0) {					// (2) child 인 경우 (fork 값이 0)
        printf("child (pid : %d)", (int) getpid());
    }
    else {								// (3) parent case
        int wc = wait(NULL)				// 추가된 부분
        printf("parent of %d (wc : %d / pid : %d)", wc, rc, (int)getpid());
    }
}

[해석]
wait()을 통해 자식 프로세스의 실행이 끝날때까지 기다리게 된다.
따라서 부모 프로세스가 실행 되더라도, wait()은 자식 프로세스가 끝나기 전까지 return 하지 않으므로, 반드시 "child..." 가 먼저 실행됨.

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exec

단순 fork는 동일한 프로세스의 내용을 여러 번 동작할 떄 사용함

............... 이건 나중에 필기

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5. PCB와 Context Switching

Process Management

CPU가 프로세스가 여러개일 때, CPU 스케줄링을 통해 관리하는 것을 말함.

이때, CPU는 각 프로세스들이 누군지 알아야 관리가 가능함.

프로세스들의 특징을 갖고있는 것이 바로 Process Metadata

Process Metadata

• Process ID
• Process State
• Process Priority
• CPU Registers
• Owner
• CPU Usage
• Memory Usage

이 메타데이터는 프로세스가 생성되면 PCB에 저장됨.

PCB(Process Control Block)

프로세스 메타데이터들을 저장해 놓은 곳, 한 PCB 안에는 한 프로세스의 정보가 담김.

정리해보면?

프로그램 실행 -> 프로세스 생성 -> 프로세스 주소 공간에(코드, 데이터, 스택) 생성
-> 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장

PCB가 왜 필요한가요?

CPU에서는 프로세스 상태에 따라 교체작업이 이루어진다. (인터럽트가 발생해서 할당받은 프로세스가 대기되고 다른 프로세스가 실행될 때)

이때, 앞으로 다시 수행할 대기중인 프로세스에 관한 저장(상태) 값을 PCB에 저장함.

PCB는 어떻게 관리되나요?

Linked List 방식으로 관리된다.

PCB List head에 PCB들이 생성될 때마다 붙게 된다. 주소 값으로 연결이 이루어져있는 연결 리스트이기 때문에 삽입 삭제가 용이하다.

즉, 프로세스가 생성되면 해당 PCB가 생성되고 프로세스 완료시 제거된다.

이렇게 수행중인 프로세스를 변경할 때, CPU의 레지스터 정보가 변경되는 것을 Context Switching 이라고 한다.

Context Switching

CPU가 이전 프로세스 상태를 PCB에 저장하고, 또 다른 프로세스 정보를 PCB에 읽어 레지스터에 적재하는 과정

보통 인터럽트 발생하거나, 실행 중인 CPU 사용 허가시간을 모두 소모하거나, 입출력을 대기해야 하는 경우 발생한다.

Context Switching의 OverHead란?

과부화라는 뜻으로 보통 안좋은 말로 많이 쓰인다.

하지만 프로섹스 작업 중 OverHead를 감수해야 하는 상황이 있다.

프로세스를 수행하다가 입출력 이벤트가 발생해서 대기 상태로 전환시킹
이때, CPU를 그냥 놀게 놔두는 것보다 다른 프로세스를 수행시키는 것이 효율적

즉, CPU에 계속 프로세스를 수행시키도록 하기 위해서 다른 프로세스를 실행시키고 Context Switching 하는 것.

"인터럽트 발생하면 현재 작업 대기하고 해당 인터럽트 프로세스 작업을 하는게 당연한거 아닌가"

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