이번 포스팅은 cs 운영체제에 대해 공부해보려고 한다.

주제	목표
프로세스와 스레드	실행 단위의 차이, 컨텍스트 스위칭 정확 이해
메모리 관리	가상 메모리, 페이징, 세그멘테이션 구조 이해
CPU 스케줄링	FCFS, SJF, RR 등 스케줄링 알고리즘 정확 이해
동기화	뮤텍스, 세마포어, 교착 상태 (Deadlock) 이해

🧑‍🏫 프로세스와 스레드 (Process & Thread)

💻 프로세스란?

프로세스 (Process) → 실행 중인 프로그램을 의미한다

즉, 우리가 만든 프로그램이 실행될 때, 운영체제는 “프로세스”라는 단위로 관리한다.

프로세스의 특징

• 고유한 메모리 공간을 가진다.
• 메모리 공간 구조
  • 코드 영역 (프로그램 명령어)
  • 데이터 영역 (전역변수)
  • 힙 영역 (동적 메모리)
  • 스택 영역 (함수 호출 정보)
• 프로세스끼리는 메모리를 공유하지 않음 (완벽히 독립)

📚 스레드란?

스레드 (Thread) → 프로세스 안에서 실제로 작업을 수행하는 최소 실행 단위

하나의 프로세스 안에는 최소 1개의 스레드가 반드시 존재한다.
이 스레드를 메인 스레드(Main Thread).

스레드의 특징

• 프로세스의 메모리 공간을 공유
• 같은 프로세스의 스레드끼리는
  • 코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역을 공유
  • 스택 영역은 각 스레드마다 따로 가짐 (함수 호출 정보는 별도)

✔ 같은 프로세스 내에서 여러 작업을 동시에 처리할 수 있음
✔ 메모리 공유로 데이터 전달이 빠름
✔ 웹 서버, 게임 등에서 매우 많이 사용됨

⚠️ 스레드는 메모리를 공유하기 때문에 잘못 설계하면 충돌, 데이터 오염 문제가 발생할 수 있음.

동기화 문제 (Race Condition) → 여러 스레드가 같은 데이터에 동시에 접근할 때 생기는 오류

프로세스와 스레드의 차이점

항목	프로세스	스레드
정의	실행 중인 프로그램	프로세스 내 최소 실행 단위
메모리 공간	독립적	공유 (코드, 데이터, 힙)
스택	독립적	각 스레드마다 별도
생성 비용	상대적으로 큼	상대적으로 작음
대표 사례	브라우저 실행, 게임 실행 등	브라우저 탭, 영상 스트리밍 등

🧑‍🏫 메모리 관리 기법 (가상 메모리, 페이징, 세그멘테이션)

👏 메모리를 관리 해야하는 이유

컴퓨터에는 메모리 용량이 한정되어 있다.
하지만 프로그램들은 메모리가 부족해도 잘 실행되어야 합니다.

운영체제는 여러 프로그램이 동시에 돌아갈 때 1. 메모리 낭비를 막고 2. 프로그램들이 서로 침범하지 않게 3. 필요하면 메모리보다 큰 프로그램도 실행 가능하게 만들어야 한다.

💫 가상 메모리

운영체제가 RAM 과 보조 기억장치(SSD/HDD)를 함께 활용해 마치 "메모리가 훨씬 큰 것처럼" 보이게 하는 기술입니다.

동작 원리

• 모든 프로세스에 독립적인 가상 주소 공간을 제공
• 실제 물리 메모리가 부족하면, 일부 데이터를 디스크로 옮겼다가 필요할 때 다시 가져옴 → 이걸 페이지 교체(Page Replacement) 라고 합니다.

1️⃣ 페이징 (Paging)

💡 가상 메모리 구현을 위한 대표적인 방법
메모리를 고정 크기의 블록인 페이지(Page) 로 나눠서 관리하는 기법

• 페이지: 메모리를 나눈 작은 단위 (보통 4KB)
• 페이지 테이블(Page Table): 가상 주소와 실제 주소를 매핑하는 표
• 장점: 메모리 조각화 최소화, 빠른 접근 가능

핵심 동작 흐름

1. CPU가 가상 주소를 요청
2. 페이지 테이블을 통해 실제 물리 주소를 조회
3. 해당 페이지가 메모리에 없으면 → 디스크에서 불러옴 (페이지 폴트 발생)

2️⃣ 세그멘테이션 (Segmentation)

메모리를 코드, 데이터, 스택 같은 논리적 구역(세그먼트) 으로 나눠 관리하는 방식

• 각 세그먼트 크기와 위치는 유동적 (가변 크기)
• 장점: 논리적인 단위별 관리가 쉬움
• 단점: 외부 단편화(External Fragmentation) 문제 발생 가능성

✅ 페이징 vs 세그멘테이션 비교

항목	페이징	세그멘테이션
분할 기준	고정 크기 페이지	논리적 구역 (코드, 데이터 등)
크기	고정	가변
장점	조각화 최소화, 관리 쉬움	논리적 관리 쉬움
단점	외부 의미 없음, 주소 변환 필요	외부 단편화 가능성

메모리 관리 전체 구조 흐름

• 가상 메모리
  - 페이징 → 메모리를 고정 크기로 나눠서 관리
  - 세그멘테이션 → 논리적 단위로 나눠서 관리
  

현대 운영체제는 보통 페이징 기반 가상 메모리를 사용한다.
세그멘테이션은 거의 사용되지 않고, 과거 시스템에서 주로 쓰였다.

💡 그동안 서버에서 Out of memory: Killed process 12345 (your-app) 와 같은 에러가 발생하면서 갑자기 프로세스가 강제 종료되는 경우가 메모리 관리가 메모리가 부족할 떄 발생하는 경우이다.

실제 메모리(RAM)가 부족하고 디스크 I/O도 한계에 다다르면 → 더 이상 가상 메모리도 할당 불가 → OOM 에러 발생

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🧑‍🏫 CPU 스케줄링 (CPU Scheduling)

운영체제의 중요한 역할 중 하나는 여러 프로세스에게 공정하고 효율적으로 CPU를 나눠주는 것이다.
이 과정을 CPU 스케줄링이라고 함.

✍️ CPU 스케줄링이 필요한 이유

컴퓨터는 동시에 많은 프로그램을 실행한다.
하지만 CPU 코어는 한정되어 있어서 한 번에 한 작업만 수행할 수 있다.
운영체제는 빠르게 프로세스를 교체하면서 마치 동시에 실행되는 것처럼 보이게 한다.

📍 주요 스케줄링 알고리즘

(1) FCFS (First-Come, First-Served)

“먼저 온 프로세스가 먼저 처리된다”

• 도착 순서대로 처리
• 단순하지만, 긴 프로세스가 먼저 오면 전체가 느려지는 단점 (Convoy Effect)

(2) SJF (Shortest Job First)

“작업 시간이 가장 짧은 프로세스를 먼저 실행”

• 평균 대기 시간이 가장 낮음 (이론상 최적)
• 실제로는 작업 시간을 정확히 알기 어려워 실용성 제한

(3) Priority Scheduling

“우선순위가 높은 프로세스를 먼저 실행”

• 각 프로세스에 우선순위를 설정해서 높은 것부터 실행
• 우선순위 낮은 프로세스가 영원히 실행 안 될 위험 (Starvation 현상)
• 해결책 → Aging 기법 (오래 기다릴수록 우선순위 상승)

(4) Round Robin (RR)

“프로세스마다 일정 시간(Time Quantum)만큼 CPU를 할당”

• 현대 운영체제에서 가장 널리 사용됨
• 시간 할당량이 너무 작으면 빈번한 전환으로 오버헤드 발생
• 너무 크면 FCFS처럼 작동해 응답성 저하

알고리즘	특징	장점	단점
FCFS	도착 순서	단순	Convoy Effect
SJF	짧은 작업 우선	평균 대기 시간 최소화	실제 예측 어려움
Priority	우선순위 기반	중요한 작업 빠르게 실행	Starvation 위험
Round Robin	정해진 시간씩 순환	공정성 높음, 널리 사용	오버헤드 가능성

💡 일반적으로 현대에는 기본적으로 Round Robin + Priority Scheduling 조합의 CPU 스케쥴링 알고리즘을 사용한다. 물론 프로세스 그룹별로 스케줄링 정책을 다르게 적용하기도 한다고 한다.

🧑‍🏫 동기화 (Synchronization)

☝️ 동기화가 필요한 이유

스레드는 프로세스 안에서 같은 메모리 공간을 공유함.
→ 동시에 같은 데이터에 접근하면, 값이 꼬이거나 충돌할 위험이 있다. 이 문제를 Race Condition (경쟁 상태) 라고 합니다.

예시

• 은행 계좌 입금/출금
• 쇼핑몰 재고 처리

뮤텍스

Mutual Exclusion (상호 배제)의 약자

한 번에 하나의 스레드만 임계 구역(Critical Section)에 들어갈 수 있도록 하는 동기화 기법

• 스레드가 임계 구역에 들어가기 전에 잠금(Lock) 을 획득
• 작업이 끝나면 잠금 해제(Unlock)
• 다른 스레드는 잠금이 풀릴 때까지 대기

특징

• 매우 간단하고 강력
• 하지만 한 스레드가 락을 안 풀면 시스템이 멈출 위험 있음 (Deadlock)

⚡️ 세마포어

뮤텍스의 확장판

동시에 들어갈 수 있는 스레드 수를 제한하는 동기화 기법

• 내부적으로 카운터를 가지고 있음
• 카운터가 0이 되면 추가 접근 불가 → 대기
• 카운터가 증가하면 대기 중인 스레드가 진입 가능

종류

• Binary Semaphore (이진 세마포어): 0 or 1 (뮤텍스와 동일하게 작동)
• Counting Semaphore (계수 세마포어): N개의 동시 접근 가능

뮤텍스 vs 세마포어 차이

항목	뮤텍스	세마포어
접근 가능 스레드 수	1개	여러 개 (N개)
사용 목적	상호 배제	제한적 동시 접근
Deadlock 위험	있음	있음
사용 예시	공유 변수 보호	자원 제한 (ex. DB Connection Pool)

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✅ 용어 정리

용어	뜻	설명
프로세스 (Process)	실행 중인 프로그램	독립적 메모리 공간, OS가 관리하는 기본 단위
스레드 (Thread)	프로세스 내 최소 실행 단위	같은 프로세스 내에서 작업 수행
메인 스레드 (Main Thread)	프로세스 내 최초 스레드	프로그램 시작 시 자동 생성
메모리 공유	여러 스레드가 같은 메모리 공간을 사용	데이터 영역, 힙 영역 공유
스택	함수 호출 정보 저장 영역	스레드마다 독립적으로 할당
동기화 문제 (Race Condition)	여러 스레드가 동시에 데이터에 접근해 발생하는 충돌 문제	주의 깊게 설계해야 함
가상 메모리 (Virtual Memory)	실제보다 큰 메모리를 제공하는 기술	RAM + 저장장치 조합
페이지 (Page)	고정 크기 메모리 블록	보통 4KB 단위
페이지 테이블 (Page Table)	가상 주소와 실제 주소 매핑 표	주소 변환 시 사용
페이지 폴트 (Page Fault)	필요한 페이지가 메모리에 없는 상태	디스크에서 불러오기 발생
세그멘테이션 (Segmentation)	논리적 의미 단위로 메모리 관리	코드/데이터/스택 등으로 구분
외부 단편화 (External Fragmentation)	메모리 빈틈이 생기는 현상	세그멘테이션의 단점
CPU 스케줄링	CPU를 여러 프로세스에 분배하는 작업	OS의 핵심 역할
FCFS	First-Come, First-Served	도착 순서대로 처리
SJF	Shortest Job First	짧은 작업 먼저 실행
Priority Scheduling	우선순위 기반 스케줄링	높은 우선순위 먼저 실행
Round Robin (RR)	시간 할당 기반 순환 스케줄링	현대 OS 기본 스케줄링
Starvation	작업이 영원히 실행되지 않는 현상	Priority Scheduling의 단점
Aging	오래 기다린 작업의 우선순위를 올리는 기법	Starvation 해결책
Race Condition	동시에 접근해 발생하는 충돌 문제	동기화 실패 시 발생
동기화 (Synchronization)	스레드 간 충돌을 막고 조정하는 과정	멀티스레드 필수 개념
뮤텍스 (Mutex)	한 번에 하나만 접근 가능한 잠금 장치	상호 배제 장치
세마포어 (Semaphore)	동시 접근 가능한 스레드 수를 제한하는 장치	뮤텍스의 확장판
Deadlock	스레드가 서로 락을 풀지 못해 멈추는 상태	동기화 설계 실패 시 발생