[혼공단] '혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제' 4주차

Chap 09. 운영체제 시작하기

09-1. 운영체제를 알아야 하는 이유

운영체제란

• 실행할 프로그램에 필요한 자원 할당, 관리 및 프로그램 실행 지원
• 컴퓨터 부팅시 메모리 내 커널 영역(kernel space) 적재 <-> 사용자 영역(user space) 사용자 프로그램 적재

운영체제를 알아야 하는 이유

09-2. 운영체제의 큰 그림

운영체제의 심장 커널

• 커널(kernel) : 운영체제 핵심 서비스 담당
  • 사용자 인터페이스(UI; ex. GUI, CLI) 는 운영체제가 제공하는 서비스이지만 커널에 포함되지 않음

이중 모드와 시스템 호출

• 이중 모드(dual mode) : CPU의 명령어 실행 모드.
  • 사용자 모드(user mode) : 운영체제 서비스를 제공받을 수 없음
  • 커널 모드(kernel mode) : 시스템 호출(System call)*을 통해 운영체제 서비스를 제공받을 수 있음

• 시스템 호출(System call) : 소프트웨어 인터럽트의 일종

운영체제의 핵심 서비스

프로세스 관리

• 프로세스(Process) : 실행 중인 프로그램
• 운영체제는 여러 프로세스들의 실행하고 상태를 관리함

자원 접근 및 할당

• CPU : 여러 프로세스들의 CPU 사용 관리 -> CPU scheduling
• Memory : 새로운 프로세스 실행시 메모리 적재, 메모리가 부족한 경우의 처리 등 메모리 관리
• I/O Device : 입출력 장치가 CPU 에 하드웨어 인터럽트 요청 시그널을 보내는 경우 CPU 는 운영체제의 커널 영역에 있는 인터럽트 서비스 루틴 실행.

파일 시스템 관리

• 보조기억장치에 데이터를 생성, 삭제, 접근 등의 서비스 제공 -> 파일 시스템(File system)

Chap 10. 프로세스와 스레드

10-1. 프로세스 개요

프로세스 직접 확인하기

• 윈도우 : 작업 관리자 / 유닉스 : ps 명령어
• foreground process : 사용자가 보는 앞에서 실행되는 프로세스
• background process : 사용자가 볼 수 없지만 실행 중인 프로세스
  • daemon : 사용자와 상호 작용 없이 정해진 일만 수행. (윈도우 계열 -> service)

프로세스 제어 블록 (Process Control Block; PCB)

• 운영체제가 프로세스 실행 순서, 프로세스별 할당 자원 관리 등을 위해 프로세스 관련 정보를 저장하는 자료 구조
• PCB 에 담기는 정보
  • Process ID
  • Register Value
  • Process Status
  • CPU Scheduling Info
  • Memory Info
  • File / IO Device Info

문맥 교환

• 기존 프로세스의 문맥(context)*을 PCB에 백업하고 새로운 프로세스를 실행하기 위한 문맥을 PCB로부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것

• 문맥(Context) : 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보 -> PCB 에 기록

프로세스의 메모리 영역

코드 영역(Code Segment)

• 텍스트 영역(text segment) 라고도 부름
• CPU가 실행할 명령어 (기계어) 저장
• 읽기 전용 공간. (CPU가 실행할 명령어가 저장되므로 쓰기 금지)

데이터 영역(Data Segment)

• 프로그램이 실행되는 동안 유지될 데이터(ex. 전역 변수 등)가 저장되는 영역
• 코드 영역과 더불어 크기가 고정되어 있는 정적 할당 영역
  <-> 힙 영역, 스택 영역 크기가 변하는 동적 할당 영역

힙 영역(Heap Segment)

• 프로그래머가 직접 할당하고 해제할 수 있는 저장 공간
• 사용이 끝난 공간을 할당 해제(반환) 하지 않을 경우 메모리 누수(Memory leak) 발생

스택 영역(Stack Segment)

• 데이터를 일시적으로 저장하는 공간
• 매개 변수, 지역 변수 등이 저장되는 공간

10-2. 프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

• 생성 상태(New)
• 준비 상태(Ready)
• 실행 상태(Running)
• 대기 상태(Blocked)
• 종료 상태(Terminated)

프로세스 계층 구조

• 시스템 호출(ex. fork(), exec()) 을 통해 실행 도중 다른 프로세스 생성 가능

  • 부모 프로세스(Parent Process) : 시스템 콜을 사용한 프로세스
  • 자식 프로세스(Child Process) : 시스템 콜에 의해 새로 생성된 프로세스

• 프로세스 계층 구조 : 생성된 프로세스 간의 관계를 나타낸 것 -> pstree 명령을 통해 확인가능

• 최초의 프로세스 : init (Unix 계열), systemd(Linux 계열), launchd(macOS 계열).

프로세스 생성 기법

• fork() 를 통해 프로세스 복제 -> exec()를 통해 생성된 프로세스의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 덮어씀

10-3. 스레드

프로세스와 스레드

• 스레드(Thread) : 프로세스를 구성하는 실행의 흐름 단위
  • 단일 스레드 프로세스 : 프로세스를 구성하는 실행 흐름 단위가 하나
  • 실행에 필요한 최소한의 정보(프로그램 카운터를 포함하는 레지스터 스택)만을 유지한 채 프로세스 자원을 공유하며 실행

멀티프로세스와 멀티스레드

• 멀티프로세스 : 여러 프로세스를 동시에 실행하는 것

• 멀티스레드 : 여러 스레드로 한 프로세스를 동시에 실행하는 것

• 둘 이상의 작업이 동일한 데이터에 대한 접근이 필요한 경우 멀티스레드가 멀티 프로세스에 비해 더 유리함

Chap 11. CPU 스케쥴링

11-1. CPU 스케쥴링 개요

프로세스 우선순위 (Process Priority)

• 한정된 자원(CPU)을 공정하고 효율적으로 사용하기 위해 각 프로세스에 우선순위를 부여함.

• 프로세스 구분

  • 입출력 집중 프로세스 (I/O bound process) -> I/O burst
  • CPU 집중 프로세스 (CPU bound process) -> CPU burst

• Unix 계열 -> ps -el 명령 : 프로세스 우선순위 확인 / nice 명령 : 프로세스 우선순위 변경.

스케쥴링 큐

• PCB에 기록된 우선순위 확인을 위해 모든 프로세스의 PCB를 확인하는 것은 비효율적
• 운영체제는 스케쥴링 큐(Scheduling queue) 를 통해 우선순위에 따라 각 프로세스를 관리.
  • 준비 큐(ready queue), 대기 큐(waiting queue), ...

선점형과 비선점형 스케쥴링

선점형 스케쥴링(Preemptive Scheduling)

• 특정 프로세스가 CPU를 비롯한 자원을 사용하고 있어도 운영체제가 자원을 강제로 빼앗아 다른 프로세스에 할당할 수 있는 스케쥴링 방식
• 특정 프로세스의 자원 독점 방지 가능
• 문맥 교환 (Context Switching) 과정에서 오버헤드 발생

비선점형 스케쥴링(Non-preemptive Scheduling)

• 자원을 사용 중인 프로세스가 종료되거나 스스로 대기 상태에 접어들기 전까지 다른 프로세스가 끼어들 수 없는 스케쥴링 방식
• 문맥 교환 횟수가 상대적으로 적기 때문에 오버헤드가 감소됨
• 특정 프로세스의 자원 독점으로 인해 다른 프로세스의 대기 시간이 길어질 수 있음.

11-2. CPU 스케쥴링 알고리즘

스케쥴링 알고리즘의 종류

선입 선처리 스케쥴링 (FCFS; First Come First Served Scheduling)

• 준비 큐에 삽입된 순서대로 프로세스 처리 / 비선점형 스케쥴링
• 앞선 프로세스들의 CPU 사용시간이 길 경우 현재 프로세스 처리 시간에 관계없이 긴 시간을 기다리게 됨 (호위 효과(convoy effect))

최단 작업 우선 스케쥴링 (SJF; Shortest Job First Scheduling)

• 호위 효과를 방지하기 위해 작업 시간이 빠른 프로세스들부터 우선적으로 실행
• 기본적으로 비선점형 스케쥴링 -> 선점형 으로 구현한 것이 최소 잔여 시간 우선 스케쥴링

라운드 로빈 스케쥴링 (Round Robin Scheduling)

• 선점형 스케쥴링
• FCFS + Time slice
• Time slice : 각 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 시간

최소 잔여 시간 우선 스케쥴링 (SRT; Shortest Remaining Time Scheduling)

• SJF + Round-robin.
• 남아 있는 작업 시간이 가장 작은 프로세스가 다음에 처리할 프로세스로 선택됨

우선순위 스케쥴링 (Priority scheduling)

• 프로세스에 우선순위 부여 후 가장 높은 우선순위의 프로세스부터 실행
• 넓은 의미에서 SJF, SRT 도 포함 가능
• 기아(Starvation)현상 : 우선순위가 낮은 프로세스의 실행이 계속 뒤로 연기되어 실행되지 않는 현상
• 에이징(Aging) : 오랫동안 대기한 프로세스 우선순위를 점차 높여 기아 방지

다단계 큐 스케쥴링 (Multilevel queue scheduling)

• 준비큐를 우선순위 별로 여러개 사용
• 각 준비큐마다 타임 슬라이스를 별도로 지정하거나 서로 다른 스케쥴링 알고리즘 적용 가능

다단계 피드백 큐 (multilevel feedback queue scheduling) 스케쥴링

• 다단계 큐 스케쥴링 에서 프로세스들은 다른 큐로 이동할 수 없음 -> 기아 현상 여전히 발생 가능
• 준비 상태 프로세스는 가장 높은 우선순위 큐에 삽입 후 일정 시간(타임 슬라이스)동안 실행
• 실행이 완료되지 않은 경우 다음 우선순위 큐에 삽입되고 타임 슬라이스 동안 실행
• CPU 집중 프로세스들의 우선순위는 점차 낮아짐 / IO 집중 프로세스들은높은 우선순위에서 실행 종료
• 구현이 복잡하나 가장 일반적인 CPU 스케쥴링 알고리즘

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4주차 숙제

(p. 304) 확인 문제 1번

Q. 프로세스 상태 다이어그램에 1 ~ 5 까지 올바른 상태를 적어보세요

A.

    1. 생성 상태
    2. 준비 상태
    3. 실행 상태
    4. 종료 상태
    5. 대기 상태

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추가 숙제

Q. 준비 큐에 A,B,C,D 순으로 삽입되었다고 가정했을 때, 선입 선처리 스케줄링 알고리즘을 적용하면 어떤 프로세스 순서대로 CPU를 할당받는지 풀어보기

A.

• 비선점형 스케쥴링에 해당하고 준비큐에 먼저 삽입된 순서대로 처리되므로 작업 시간에 상관 없이 A, B, C, D 순으로 차례대로 처리된다.