9장 운영체제 시작하기

prana·2024년 1월 15일

chapter 09 운영체제 시작하기

09-1 운영체제를 알아야 하는 이유

운영체제

모든 프로그램은 하드웨어를 필요로 함
시스템 자원, 자원: 프로그램 실행에 마땅히 필요한 요소들 가리킴
- ex) CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치 등 모든 컴퓨터 부품들
- 모든 프로그램들은 실행되기 위해 반드시 자원 필요하다.
😋운영체제: 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고, 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램
운영체제 또한 프로그램과 마찬가지로 메모리에 적재되어야 한다.
메모리 내 커널 영역에 따로 적재되어 실행된다.
사용자 영역: 응용 프로그램 적재되는 영역

운영체제는 커널 영역에 적재되어, 사용자 영역에 적재된 프로그램들에 자원을 할당, 올바르게 실행되도록 돕는다.

응용 프로그램과 하드웨어 사이에서 응용 프로그램에 필요한 자원을 할당,

응용 프로그램이 올바르게 실행되도록 관리하는 역할

내가 만든 프로그램은 결국 하드웨어가 실행하고, 그 하드웨어를 조작하는 프로그램이 운영체제이다.
그래서 운영체제는 내 프로그램이 하드웨어 상에서 어떻게 작동하는지 먼저 잘 알고 있다.

09-2 운영체제의 큰 그림

커널

이중 모드와 시스템 호출

운영체제가 응용 프로그램에 제공하는 서비스 종류

운영체제: 사용자가 실행하는 응용 프로그램을 올바르게 실행되도록 돕고 필요한 자원을 할당해주는 프로그램

커널: 운영체제의 핵심 기능
커널에 포함되지 않는 서비스 -> 사용자 인터페이스
- ex) 윈도우 바탕화면
- 사용자가 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 통로

이중 모드와 시스템 호출

운영체제는 응용 프로그램의 자원 접근을 대행하는 일종의 문지기 역할
이중 모드(dual mode): CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자 모드와 / 커널 모드로 구분하는 방식
- 사용자 모드
  - 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드
  - 커널 영역의 코드를 실행할 수 없는 모드
  - CPU는 입출력 명령어와 같이 하드웨어 자원에 접근하는 명령어를 실행할 수 없다.
- 커널 모드
  - 운영체제 서비스를 제공받을 수 있는 실행 모드
  - 커널 영역의 코드 실행할 수 있는 모드
  - CPU가 커널 모드로 명령어를 실행하면, 자원에 접근하는 명령어를 비롯한 모든 명령어를 실행할 수 있다.
시스템 호출(시스템 콜): 사용자 모드로 실행되는 프로그램이 자원에 접근하는 운영체제 서비스를 제공받으려면
시스템 호출을 통해 커널 모드로 전환하여 운영체제 서비스를 제공받는다.
소프트웨어 인터럽트: 인터럽트를 발생시키는 특정 명령어에 의해 발생하기도 한다.
1. 시스템 호출을 발생시키는 명령어 실행
2. CPU는 지금까지의 작업 백업
3. 커널 영역 내 시스템 호출을 수행하는 코드(인터럽트 서비스 루틴) 실행
4. 다시 기존에 실행하던 응용 프로그램으로 복귀하여 실행 계속

운영 체제의 핵심 서비스

프로세스 관리
- 실행 중인 프로그램
자원 접근 및 할당
- 모든 프로세스는 실행을 위해 자원을 필요로 함
- 운영체제는 프로세스들이 사용할 자원에 접근하고 조작함으로써 프로세스에 필요한 자원을 할당해줌
- CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치
- 프로세스 동기화(12장), 교착상태(13장)
CPU(11장)
- 메모리에는 여러 프로세스 적재, 하나의 CPU에 한 번에 하나의 프로세스만 실행
- CPU 스케줄링: 프로세스들에 공정하게 CPU를 할당하기 위해 결정
메모리(14장)
- 운영체제는 새로운 프로세스가 적재될 때마다 어느 주소에 적재해야 할지를 결정
입출력장치
- 입출력장치가 CPU에 하드웨어 인터럽트 요청 신호를 보내면 CPU는 하던 일을 잠시 백업한 뒤, 커널 영역에 있는 인터럽트 서비스 루틴을 실행
- 인터럽트 서비스 루틴을 제공함으로써 입출력 작업을 수행한다.
파일 시스템 관리(15장)

정리

커널: 운영 체제의 핵심 서비스 제공하는 부분

사용자 프로세스가 커널의 서비스를 제공받기 위해서는, 사용자 모드에서 커널 영역으로 전환, 이는 시스템 호출을 통해 이루어진다.

커널의 대표적인 서비스

프로세스 관리

자원 접근 및 할당

파일 시스템 관리

가상 머신: 소프트웨어적으로 만들어낸 가상 컴퓨터
- 새로운 운영체제와 응용 프로그램 설치하고 실행할 수 있다.
- 가상화 지원하는 CPU는 커널 모드와 사용자 모드 이외에 가상머신을 위한 모드인 하이퍼바이저 모드를 따로 둔다.
가상 머신 상에서 작동하는 응용 프로그램들은 하이퍼바이저 모드로써 가상 머신에 설치된 운영체제로부터 운영 체제 서비스를 받을 수 있게 된다.

Chapter 10 프로세스와 스레드

10-1 프로세스 개요

프로세스

프로세스 제어 블록

문맥 교환

프로세스 사용자 영역

프로세스: 실행 중인 프로그램
- 프로그램 실행 전: 보조기억 장치에 있는 데이터 덩어리
- 보조기억 장치에 저장된 프로그램을 메모리에 적재, 실행하는 순간 프로그램은 프로세스가 된다.

프로세스 직접 확인하기

[윈도우]-[작업 관리자]-[프로세스]
유닉스 운영체제: ps
포어그라운드 프로세스: 사용자가 보는 앞에서 실행되는 프로세스
백 그라운드 프로세스: 사용자가 보지 못하는 뒤에서 실행
- 유닉스 운영체제에서의 데몬 : 사용자와 상호작용하지 않고 정해진 일만 수행하는 백그라운드 프로세스
- 윈도우 운영체제에서의 서비스: 위 내용과 동일

프로세스 제어 블록

CPU자원은 한정적이다.
운영체제는 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 프로세스에 CPU를 비롯한 자원을 배분한다.
- 운영체제는 프로세스 제어 블록(PCB)을 이용한다.
  - 프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료구조
  - PCB는 커널 영역에 생성
  - PCB로 특정 프로세스를 식별, 해당 프로세스를 처리하는 데 필요한 정보를 판단한다.
  - 프로세스 생성 시에 만들어지고, 실행이 끝나면 폐기된다.

PCB에 담기는 정보들

프로세스 ID(PID): 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호

레지스터 값

프로세스 상태(11장): 현재 프로세스가 어떤 상태인지도 기록

CPU 스케줄링 정보: 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당 받을지에 대한 정보

메모리 관리 정보: 어느 주소에 저장되어있는지에 대한 정보가 있어야 한다.

베이스 레지스터

한계 레지스터

페이지 테이블 정보도 PCB에 담김(14장)

사용한 파일과 입출력장치 목록

문맥교환

문맥(context): 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보
- 하나의 프로세스 문맥은 해당 프로세스 PCB에 표현되어 있다.
- 실행 문맥을 잘 기억해두면, 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있게 된다.
문맥교환(context switching) : 기존 프로세스의 문맥을 PCB에 백업, 새로운 프로세스를 실행하는 것

프로세스의 메모리 영역

커널 영역
- PCB
사용자 영역
- 코드 영역: 텍스트 영역
  - 기계어로 이루어진 명령어가 저장
  - 쓰기가 금지(CPU가 실행할 명령어가 담겨있음), 읽기 전용
- 데이터 영역: 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간
  - 전역변수(12장): 프로그램이 실행되는 동안 유지, 프로그램 전체에서 접근할 수 있는 변수
    
    👨정적 할당 영역: 코드 영역, 데이터 영역
    👩‍🦰 동적 할당 영역: 힙, 스택 영역
- 힙 영역
  - 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간
  - 프로그래밍 과정에서 힙 영역에 메모리 공간을 할당했다면, 언젠가는 해당 공간을 반환해야 한다.
  - 더 이상 해당 메모리 공간을 사용하지 않겠다고 운영체제에 말함
  - 반환하지 않으면 메모리 누수문제 발생
- 스택 영역
  - 데이터를 일시적으로 저장하는 공간
    - 매개변수, 지역변수
    - 저장할 데이터: PUSH, 더이상 필요하지 않은 데이터는 POP

힙 영역: 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소로 할당

스택 영역: 높은 주소에서 낮은 주소로 할당

10-2 프로세스 상태와 계층구조

프로세스 상태

생성 상태(new): 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태
- CPU의 할당을 기다림
준비 상태(ready): 차례가 되면 CPU 할당받아 실행 상태가 됨
- 실행상태로 전환되는 것을 dispatch디스패치라고 한다.
실행상태(running)
- CPU를 할당받아 실행 중인 상태
- 할당된 일정 시간 동안만 PCU 사용
- 모두 사용하게 되면(타이머 인터럽트 발생하면) 다시 준비 상태가 되고, 실행 도중 입출력 장치를 이용하여 입출력 장치의 작업 끝날 때까지 기다려야 한다면 대기 상태가 된다.
대기 상태(blocked): 프로세스는 실행 도중 입출력 장치를 사용하는 경우가 있다.
- CPU에 비해 처리 속도가 느리기에, 프로세스는 입출력장치가 입출력을 끝낼 때까지(입출력 완료 인터럽트 받을 때까지) 기다려야 한다.
- 입출력 장치의 작업을 기다리는 상태
- 특정 이벤트가 일어나길 기다랠 때 프로세스는 대기상태가 된다. 👉 대부분의 원인이 입출력 작업
종료 상태(terminated): 프로세스 종료
- 운영체제는 PCB와 프로세스가 사용한 메모리를 정리한다.
프로세스 상태 다이어그램
프로세스는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료 상태를 거치며 실행된다.

프로세스 계층 구조

부모 프로세스: 새 프로세스를 생성
- (일부 운영체제에서 PPID가 자식 프로세스의 PCB에 기록되기도 함)
- 자식 프로세스: 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스
- 서로 각기 다른 PID
데몬이나 서비스 또한 최초 프로세스의 자식 프로세스이다.

최초의 프로세스

유닉스 운영체제: init

리눅스 운영체제: systemd

mac OS : launchd

최초의 PID는 항상 1번.

프로세스 생성 기법

부모 프로세스가 자식 프로세스를 어떻게 만들어 내고, 자식 프로세스는 어떻게 자신만의 코드를 실행
부모 프로세스르 통해 생성된 자식 프로세스들은 복제와 옷 갈아입기
부모 프로세스는 fork 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성
만들어진 복사본(자식 프로세스)은 exec를 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체
fork와 exec 는 시스템 호출
- 부모 프로세스의 자원들: 메모리 내 내용, 열린 파일 목록 등 자식 프로세스에 상속됨.
부모 프로세스로부터 자식 프로세스가 복사(fork)
자식 프로세스는 새로운 프로그램으로 옷을 갈아입고
- 자식 프로세스로부터 자식 프로세스가 복사
- 옷을 갈아입고
- 여러 프로세스가 계층적으로 실행

1) 생성 2) 준비 3) 실행 4) 종료 5) 대기
로그인 프로세스
vim 프로세스
bash 프로세스

10-3 스레드

스레드(thread) : 실행의 단위
프로세스 구성하는 실행의 흐름 단위
하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있다.
스레드를 이용하면 하나의 프로세스에서 여러 부분을 동시에
실행할 수 있다.

프로세스와 스레드

단일 스레드 프로세스
하나의 실행 흐름을 가지고 한 번에 하나의 부분만 실행되는 프로세스를 가정
스레드
멀티 스레드 프로세스
프로세스를 구성하는 실행 단위
- 프로세스 내 각기 다른 스레드 ID, 프로그램 카운터 값을 비롯한 레지스터 값, 스택으로 구성된다.
각자 프로그램 카운터 값을 비롯한 레지스터 값, 스택을 가지고 있기에 스레드마다 각기 다른 코드를 실행할 수 있다.

프로세스의 스레드들은 실행에 필요한 최소한의 정보(프로그램 카운터를 포함한 레지스터, 스택)만을 유지한 채 프로세스 자원을 공유하며 실행된다는 것이다.

프로세스의 자원을 공유: 스레드의 핵심

멀티 프로세스와 멀티 스레드

컴퓨터는 실행 과정에서 여러 프로세스가 동시에 실행, 프로세스를 이루는 스레드는 여러 개 있을 수 있다.
- 여러 프로세스를 동시에 실행 : 멀티프로세스
- 여러 스레드로 프로세스를 동시에 실행하는 것을 멀티스레드
프로세스끼리는 기본적으로 자원을 공유하지 않지만, 스레드끼리는 같은 프로세스 내 자원을 공유한다는 점이다.
- 동일한 프로세스 두 개 동시에 실행하면..
- PID, 저장된 메모리 주소를 제외하면 모든 것이 동일한 프로세스 두 개가 통째로 메모리에 적재된다.
같은 프로세스 내 모든 스레드는 동일한 주소 공간의 코드, 데이터, 힙 영역을 공유하고, 열린 파일과 같은 프로세스 자원을 공유한다.