Operating System 정리

Seunghee Lee·2023년 4월 3일

CS 스터디

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🌿 시스템 콜

🔎 시스템 콜이란 ?

시스템 콜(System Call)은 운영체제가 응용 프로그램에게 제공하는 인터페이스 인터럽트 중 하나이다.

보통 사용자가 시스템 콜을 직접 사용하기보다는, 중간에 시스템 콜 인터페이스(System Call Interface)를 둬서 사용자가 시스템 콜을 통해 커널에 요청을 반환하는데, 이를 API라고 한다.


🔎 시스템 콜이 왜 필요해 ?

사용자가 직접 커널에 접근할 수 없기 때문에 시스템 콜을 통해 응용 프로그램에게 어떠한 기능을 수행해 달라고 요청한다.

운영체제는 커널 모드와 사용자 모드로 나뉘어 구동된다. 운영체제에서 프로그램이 구동되는 데 있어 파일을 읽고, 쓰고, 혹은 화면에 메시지를 출력하는 등 많은 부분이 커널 모드를 사용한다. 시스템 콜은 이러한 커널 영역의 기능을 사용자 모드가 사용 가능하게 해준다.


🔎 프로세스 관련 시스템 콜 4가지 설명해봐

프로세스 관련 시스템 콜은 fork() exec() wait() exit() 가 있다.

  1. fork() 는 부모 프로세스를 자식 프로세스에 복제시키는 것이다.
    이를 통해 자식 프로세스가 생성되는데, 이때 자식은 부모의 context를 그대로 복사해서 가져온다.
  2. exec() 는 fork()로 복제된 자식 프로세스에 새로운 프로그램을 덮어 씌우는 것이다. 이것으로 자식 프로세스는 독자적인 작업을 수행할 수 있게 된다.
  3. wait() 는 부모 프로세스가 자식 프로세스가 종료되기를 기다리는 것이다.
  4. exit() 는 프로그램을 종료시키는 시스템 콜이다.
    모든 자원을 반납하고 부모 프로세스에게 자신이 종료됨을 알린다.

🔎 시스템 콜 동작을 간단하게 설명해봐

(1) 각 시스템 콜에는 번호가 할당되고
(2) 시스템 콜 인터페이스는 이 번호에 따라 색인되는 테이블을 유지한다.
(3) 시스템 콜 인터페이스는 의도하는 시스템 콜을 부르고
(4) 시스템 콜의 상태와 반환 값을 돌려준다.

🌿 CPU 스케줄링

🔎 CPU 스케줄링이란 ?

CPU 스케줄링은 OS에서 프로세스들이 CPU를 사용하는 순서를 결정하는 것을 말한다.

여러 개의 프로세스가 실행되면 CPU는 하나의 프로세스에 대해 작업을 수행하고 다른 프로세스로 전환한다.

  • 이러한 전환을 스케줄링이라고 하며,
  • 스케줄러는 다음에 실행할 프로세스를 선택하는 알고리즘을 사용한다.
  • 대표적인 스케줄링 알고리즘은 FCFS, SJF, 우선순위,RR 스케줄링이 있다.

💡 스케줄링은 CPU의 이용률, 응답 시간, 처리량 등에 영향을 미친다. 대기 시간이 짧을수록, 처리 시간과 응답 시간이 빠를 수록 좋은 스케줄링이다.


🔎 선점형과 비선점형에 대해 설명해봐

선점형 스케줄링은 어떤 프로세스가 CPU를 할당받아 실행 중에 다른 프로세스가 강제로 CPU를 점유할 수 있다.

  • 모든 프로세스에게 CPU 사용 시간을 동일하게 부여할 수 있다.
  • 빠른 응답 시간을 요하는 대화식 시분할 시스템에 적합하다.

비선점형 스케줄링은 어떤 프로세스가 CPU를 할당 받으면 그 프로세스가 종료할 때까지 기다렸다가 종료되면 CPU를 할당받는다.

  • 스케줄러 호출 빈도가 낮아 문맥 교환에 의한 오버헤드가 적다.
  • 일괄 처리 시스템에 적합하다.

🔎 CPU 스케줄링 시 고려 사항

고려해야 할 5가지 사항으로는 CPU 이용률, 처리량, 응답 시간, 반환 시간, 대기 시간 이 있다.

  • CPU 이용률 : CPU 이용률 높여야 한다.
  • 처리량 : 스케줄링 알고리즘은 가능한 많은 프로세스를 처리하여 처리량을 높인다.
  • 응답 시간 : 짧은 응답 시간을 보장해야 한다.
  • 반환 시간 : 프로세스가 대기 상태에 있던 시간과 CPU 사용 시간을 합친 시간이다.
  • 대기 시간 : 가능한 대기 시간을 최소화해야 한다.

🔎 FCFS 스케줄링을 간단하게 설명해봐

FCFS(First Come First Served)는 먼저 들어온 프로세스를 먼저 처리해 주는 스케줄링 방식이다.

비선점형 스케줄링이다.

  • CPU가 할당된 프로세스의 작업이 종료될 때 다음 프로세스의 작업을 진행한다.

⚠️ 문제점 : 호위 효과 발생 !

  • 소요시간이 긴 프로세스가 먼저 도착해 CPU를 점유하면서 다른 프로세스가 오래 대기하게 된다.

🔎 SJF 스케줄링을 간단하게 설명해봐

SJF는 선점형/비선점형으로 나뉜다.

✅ 선점형 스케줄링

  • CPU를 점유한 프로세스 실행 중에 프로세스가 들어오면 현재 남아있는 프로세스와 버스트 시간을 비교하여 CPU를 점유할 수 있다.

✅ 비선점형 스케줄링

  • CPU를 점유한 프로세스 실행 중에 프로세스가 들어오더라도 CPU를 점유하지 못한다.

⚠️ 문제점 : 다음 CPU 버스트 길이를 알 방법이 없다.

  • 그래서 주로 임베디드 시스템에서만 사용한다.

🔎 우선순위 스케줄링을 간단하게 설명해봐

우선순위 스케줄링은 각 프로세스에게 우선순위가 주어지고, CPU는 가장 높은 우선순위를 가진 프로세스에게 할당된다.

  • 만약 우선순위가 같을 경우 → FIFO로 스케줄한다.

선점과 비선점으로 나뉜다.

  • 선점형 : 새로 도착한 프로세스의 우선순위가 현재 프로세스보다 높다면 선점할 수 있다.
  • 비선점형 : 단순히 준비 큐이 머리 부분에 새로운 프로세스를 넣고 CPU 실행이 끝날 때까지 기다린다.

⚠️ 문제점 : 기아 상태 발생 !

  • 부하가 과중한 컴퓨터 시스템에서는 높은 우선순위의 프로세스들이 꾸준히 들어와서 낮은 우선순위의 프로세스들이 CPU를 사용하지 못하게 될 수 있다.

💡 해결 : 에이징(aging)

  • 시스템에서 오래 대기하는 프로세스들의 우선순위를 점진적으로 증가시킨다.

🔎 RR 스케줄링을 간단하게 설명해봐

RR(Round Robin)은 각 프로세스는 돌아가면서 주어진 시간 할당량만큼 CPU를 할당받을 수 있다.

  • CPU 사용시간이 랜덤한 프로세스들이 섞여있을 경우에 효율적이다.
  • 시간 할당량이 너무 크면 → FCFS와 같아지고,
  • 시간 할당량이 너무 작으면 → 잦은 문맥교환으로 인해 오버헤드가 발생한다.

🌿 문맥 교환

🔎 문맥 교환이란 ?

문맥 교환(Context Switching) 은 컴퓨터 시스템에서 실행 중인 프로세스나 스레드 간에 작업을 전환하는 과정을 말한다.

  • 문맥 교환은 현재 실행 중인 프로세스/스레드의 상태를 저장하고 다음 실행될 프로세스/스레드의 상태를 복원하는 과정을 거친다.

🔎 문맥 교환이 이루어지는 과정을 설명해봐

  1. 현재 실행 중인 프로세스/스레드의 상태(Context)를 저장한다.
  2. 스케줄러에 의해 다음 실행될 프로세스/스레드가 선택된다.
  3. 선택된 프로세스/스레드의 상태를 복원한다.
    - 이는 저장된 정보를 다시 레지스터에 적재하고 실행을 계속하는 것을 의미한다.
  4. 선택된 프로세스/스레드가 실행된다.

🔎 문맥 교환 시 나타나는 문제점과 이를 해결하기 위한 방법에 대해 말해봐

CPU는 한 번에 하나이 작업만을 실행할 수 있기 때문에 문맥 교환 중에는 다른 작업을 작업을 할 수 없다. 이로 인해 오버헤드가 발생한다.

✅ 오버헤드를 해결하기 위해선 다음과 같은 방법이 있다.

  • 다중 프로그래밍의 정도를 낮춰 문맥 교환이 자주 발생하지 않도록 한다.
  • 스레드를 이용하여 문맥 교환 부하를 최소화시킨다.
  • 스택 중심의 장비에서는 Stack 포인터 레지스터를 변경하여 프로세스 간 문맥 교환을 수행한다.

🌿 교착 상태

🔎 교착 상태란 ?

교착 상태(Deadlock)는 두 개 이상의 작업(프로세스/스레드)이 서로가 가진 자원을 점유하고 있으면서, 상태방에게 할당된 자원을 원하게 되면서 결과적으로 무한정 기다리는(wait) 상태를 말한다.


🔎 교착상태가 발생하기 위한 필요조건 4가지

교착상태가 발생하기 위해선 상호배제 / 점유와 대기 / 비선점 / 순환 대기 를 동시에 만족해야 한다.

  • 상호 배제: 자원을 동시에 여러 개의 프로세스/스레드에 의해 사용될 수 없다.
  • 점유와 대기: 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 얻기 위해 대기하는 프로세스/스레드가 존재한다.
  • 비선점: 이미 점유된 자원을 선점할 수 없고, 해당 작업이 끝날 때까지 기다린다.
  • 순환 대기: 서로 다른 작업 간에 자원을 기다리는 순환적인 관계가 형성되어야 한다.

🔎 교착 상태의 해결법

교착 상태의 중 하나를 제거하거나, 교착 상태가 발생하는 순간을 감지하고 복구하는 알고리즘을 구현한다.

  1. 예방
  • 교착 상태의 발생 조건 중 하나 이상을 제거한다.
  • 일반적으로 이 해결법이 많이 사용된다.
  1. 회피
  • 교착 상태이 발생할 가능성이 있는 상황을 회피한다.
  • 자원 할당 그래프나 은행원 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 안전한 상태에만 자원을 할당하도록 한다.
  1. 검출 및 복구
  • 교착 상태가 이미 발생했는지를 주기적으로 검사한다.
  • 만약 감지되면, 교착 상태에 있는 작업을 중단시키거나, 자원을 선점하여 해결한다.
  1. 무시
  • 교착 상태를 무시하고 시스템을 계속 진행하는 방법이다.
  • 이상적인 방법은 아니다.

🔎 은행원 알고리즘에 대해 설명해봐

은행원 알고리즘(Banker's Algorithm) 은 교착 상태 회피를 위한 알고리즘 중 하나이다.

은행월 알고리즘은 자원 할당 그래프를 기반으로 안전한 상태에서만 자원을 할당함으로써 교착 상태를 회피한다.

✅ 장점

  • 교착 상태의 가능성을 최소화하고, 자원 할당을 안전하게 수행할 수 있다.

✅ 단점

  • 안전한 자원 할당만을 허용하기 때문에 일부 자원이 대기 상태에 머물 수 있다.
    → 즉, 자원 이용률이 떨어진다.
  • 할당할 수 있는 자원 수가 일정해야 한다.
  • 최대 요구 자원의 양을 미리 알아야 한다.

🌿 페이징 & 세그먼테이션

🔎 페이징에 대해 설명해봐

페이징 은 프로세스와 메모리의 빈 공간을 작은 크기의 고정된 블록인 페이지로 분할하여 관리하는 방법이다.

  • 프로세스의 가상 메모리를 페이지 단위로 나누고, 이러한 페이지들을 실제 물리적인 메모리의 프레임에 매핑하는 방식으로 동작한다.
  • 각 페이지는 고유한 페이지 번호를 가지며, 해당 페이지 번호를 통해 물리적인 메모리 주소로 변환된다.

💡 외부 단편화를 해결하지만, 내부 단편화가 발생할 수 있다.

🔎 세그먼테이션에 대해 설명해봐

세그먼테이션 은 프로그래머가 인지하는 메모리 모습을 실제 메모리 모습으로 변환해주는 메모리 기법을 제공한다.

  • 가상 주소 공간을 논리적인 세그먼트 로 구성한다. 프로세스를 스택 / 힙 / 데이터 / 코드 로 나눈 것 역시 세그먼테이션의 모습이다.

💡 두 사용자 프로세스가 동일한 코드를 공유하기 용이하며, 내부 단편화가 발생하지 않는다.
💡 세그먼트 크기는 가변적이기 때문에 외부 단편화가 발생할 수 있다.

🔎 페이징과 세그먼테이션의 차이점은 ?

페이징은 고정 크기의 페이지로 분할하고, 세그먼테이션은 가변 크기의 세그먼트로 분할한다.


🔎 페이징과 세그먼테이션을 사용하는 이유는 ?

메모리 단편화를 해결하기 위해서 !

다중 프로그래밍에서 여러 프로세스를 수용하기 위해 주기억장치를 동적 분할하는 메모리 관리 기법이 필요하다.

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