운영체제와 컴퓨터

운영체제

사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스이다.
한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하여 사용한다.

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리 :
CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.

2. 메모리 관리 :
한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다.

3. 디스크 파일 관리 :
디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.

4. I/O 디바이스 관리 :
I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.

운영체제의 구조

운영체제 구조 그림

컴퓨터의 요소

컴퓨터의 요소 그림

CPU

산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행한다.

제어장치란?
프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다.
입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

레지스터란?
CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치이다.
CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르며
CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

산술논리연산장치란?
덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로이다.

메모리

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
보통 RAM을 메모리라고 한다. CPU는 계산을 담당하고 메모리는 기억을 담당한다.

메모리 계층

• 레지스터 : CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적다.
• 캐시 : L1, L2 캐시를 지칭한다. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적다.
• 주기억장치 : RAM을 가리킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통이다.
• 보조기억장치 : HDD,SDD를 일컬으며 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많다.

메모리 관리

가상 메모리

메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말합니다.

스와핑이란?
만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생한다. 이를 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮겨 필요할 때 다시 RAM으로 불러와 올리고, 사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여 RAM을 효과적으로 관리하는 것.

페이지 폴트란?
프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생한다.
이 때 운영체제는 다음 과정으로 해당 데이터를 메모미로 가져와서 마치 페이지 폴트가 전혀 발생하지 않은 것처럼 프로그램이 작동하게 해준다.

스레싱

메모리의 페이지 폴트율이 높은것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.
스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생한다. 페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다. 낮아지게 되면 운영체제는 "CPU가 한가한가?"라고 생각하여 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올리게 된다. 이와 같은 악순환이 반복되고 스레싱이 일어나게 된다.
해결하기 위한 방법은 메모리를 늘리거나, HDD->SSD로 교체하는 방법이다.

프로세스와 스레드

프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다.
스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다.
프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.

프로레스의 상태

생성 -> 대기 -> 대기 중단 -> 실행 -> 중단 -> 일시 중단 -> 종료

프로세스의 메모리 구조

스택

• 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 동적인 특징을 갖는다.
• 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓는다.

힙

• 동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정된다.
• 예를 들어 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당된다. 힙은 동적인 특징을 가진다.

데이터 영역

• 전역변수, 정적변수가 저장되며, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역이다.

코드 영역

• 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역이다.
• 이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 갖는다.

공유 자원과 임계 영역

공유 자원이란?
시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다.
이 공유자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다.
동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태이다.

임계 영역이란?
공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 영역을 임계 영역이라고 한다.
임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있다.
이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융퉁성이란 조건을 만족한다.

상호 배제

• 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.

한정 대기

• 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다.

융퉁성

• 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 된다.

뮤텍스

• 공유 자원을 사용하기 전에 설정하고 사용한 후에 해제하는 잠금이다.
  잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없다.
  또한 뮤텍스는 하나의 상태(잠금 또는 잠금 해제)만 가진다.

세마포어

• 세마포어는 일반화된 뮤텍스이다.
• 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait 및 signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

모니터

• 모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.

모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

교착 상태

교착 상태의 원인

• 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다.
• 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
• 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
• 환형 대기 : 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.

교착 상태의 해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할다외며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 사용한다.
3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.

예상 질문

Q. 운영체제의 역할은 무엇인가요?
A. 운영체제의 역할은 크게 네 가지가 있다.
1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리한다.
2. 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는지 관리한다.
3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리한다.
4. I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드 등과 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리한다.

Q. 메모리 계층에 대해 설명해보세요.
A. 메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어있다.
레지스터는 CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 낮습니다.
캐시로는 L1, L2 캐시를 지칭하며 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 낮습니다.
주기억장치로는 RAM을 가리키며 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통입니다.
보조기억장치로는 HDD, SSD를 일컬으며 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 높습니다.