9. 운영체제 시작하기

09-1. 운영체제를 알아야 하는이유

운영체제는 01~08장까지 배운 컴퓨터 부품들을 관리하고, 여러분들이 개발한 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕습니다.

운영체제란

• 시스템 자원 : 프로그램 실행에 마땅히 필요한 요소들(=자원)
  • CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력장치 등과 같은 컴퓨터 부품
  • 모든 프로그램은 실행되기 위해 반드시 자원이 필요하다.
• 운영체제
  • 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고, 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램
  • 항상 컴퓨터가 부팅될 때 메모리 내 커널 영역이라는 공간에 따로 적재되어 실행된다.
    • 사용자 영역 : 커널영역을 제외한 나머지 영역, 사용자가 이용하는 응용 프로그램이 적재되는 영역

운영체제를 알아야 하는 이유

• 운영체제가 없다면 아무리 간단한 프로그램이라도 하드웨어를 조작하는 코드를 개발자가 모두 직접 작성해야 한다.
• 운영체제와의 대화로 하드웨어와 프로그램을 더 깊이 이해하고 문제 해결의 실마리를 찾을 수 있다.
  • 운영체제의 대화 : ex. 오류

09-2. 운영체제의 큰 그림

운영체제의 심장, 커널

• 커널
  • 운영체에의 핵심 서비스를 담당하는 부분
    • 핵심 서비스 : 자원에 접근하고 조작하는 기능, 프로그램이 올바르고 안전하게 실행되게 하는 기능 등
  • 운영체제가 설치된 모든 기기에는 커널이 있다.
  • 사용자 인터페이스 : 운영체제가 제공하는 서비스 중 커널에 포함되지 않는 서비스
    • 윈도우의 바탕화면과 같이 사용자가 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 통로
    • 그래픽 유저 인터페이스 : 그래픽을 기반으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 인터페이스
    • 커맨드 라인 인터페이스 : 명령어를 기반으로 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 인터페이스

이중 모드와 시스템 호출

• 운영체제는 사용자가 실행하는 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 직접 접근하는 것을 방지하여 자원을 보호합니다.
  • 응용 프로그램들이 자원에 접근하려고 할 때 오직 자신을 통해서만 접근하도록하여 자원을 보호합니다.
• 이중모드
  • CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자 모드와 커널 모드로 구분하는 형식
  • 사용자 모드 : 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드
    • 커널 영역의 코드를 실행할 수 없는 모드
    • 일반적인 응용 프로그램
  • 커널 모드 : 운영체제 서비스를 제공받을 수 있는 실행 모드
    • 커널 영역의 코드를 실행할 수 있는 모드
• 시스템 호출
  • 운영체제 서비스를 제공받기 위한 요청
  • 사용자 모드로 실행되는 프로그램은 시스템 호출을 통해 커널 모드로 전환하여 운영체제 서비스를 제공
  • 소프트웨어 인터럽트 : 인터럽트를 발생시키는 특정 명령어에 의해 발생

운영체제의 핵심 서비스

• 프로세스 관리
  • 프로세스 : 실행중인 프로그램
  • 일반적으로 하나의 CPU는 한번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있기에 CPU는 이 프로세스들을 조금씩 번갈아 가며 실행
• 자원 접근 및 할당
  • 운영체제는 프로세스들이 사용할 자원에 접근하고 조작함으로써 프로세스에 필요한 자원을 할당해 줍니다.
  • CPU
    • CPU 스케줄링
  • 메모리
    • 어느 주소에 프로세스를 적재할지 결정
  • 입출력 장치
    • 인터럽트 서비스 루팅 제공
• 파일 시스템 관리

가상 머신과 이중 모드의 발전

• 가상 머신
  • 소프트웨어적으로 만들어낸 가상 컴퓨터
  • 새로운 운영체제과 응용 프로그램을 설치하고 실행할 수 있다.

시스템 호출의 종류

• 시스템 호출
  • 운영체제 서비스를 제공받기 ㅜ이한 방법

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10. 프로세스와 스레드

10-1. 프로세스 개요

프로세스 직접 확인하기

• [작업관리자-프로세스] 탭에서 확인 가능하다.
• 포그라운드 프로세스 : 사용자가 보는 앞에서 실행되는 프로세스
• 백그라운드 프로세스 : 사용자가 보지 못하는 뒤에서 실행되는 프로세스
• 데몬/서비스 : 사용자와 상호작용하지 않고 그저 묵묵히 정해진 일만 수행하는 백그라운드 프로세스

프로세스 제어 블록

• 모든 프로세스가 CPU를 동시에 사용할 수 없기 때문에 차례대로 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU를 사용한다.
• 프로세스 제어 블록(PCB)
  • 프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료 구조
  • 커널 영역에 생성
  • 사용 이유
    • 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스의 실행 순서를 관리
    • 프로세스에 CPU를 비롯한 자원 배분
  • PCB 내 정보
    • 프로세스 ID(PID)
      • 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호
    • 레지스터 값
    • 프로세스 상태
    • CPU 스케줄링 정보
    • 메모리 관리 정보
    • 사용한 파일과 입출력 장치 목록

문맥 교환

• 문맥
  • 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야할 정보
  • 하나의 프로세스 문맥은 해당 프로세스의 PCB에 표현
  • PCB에 기록되는 정보들
• 문맥 교환
  • 기존 프로세스의 문맥을 PCB에 백업하고 새로운 프로세스를 실행하기 위해 문맥을 PCB로부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것

프로세스의 메모리 영역

• 사용자 영역 프로세스 배치
  • 코드 영역(=텍스트 영역)
    • 실행할 수 있는 코드, 기계어 명령어 저장
  • 데이터 영역
    • 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터 저장
    • 전역변수
    • 정적할당영역
  • 힙 영역
    • 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간
    • 동적 할당 영역
  • 스택 영역
    • 데이터를 일시적으로 저장하는 공간
    • 동적 할당 영역

10-2. 프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

• 프로세스 상태
  • 생성상태
    • 프로세스를 생성중인 상태
  • 준비상태
    • 당장이라도 CPU를 할당 받아 사용할 수 있지만 자신의 차례를 기다리고 있는 상태
  • 실행상태
    • CPU를 할당 받아 실행중인 상태
  • 대기상태
    • 실행도중 입출력 장치를 사용해 작업을 기다리는 상태
  • 종료상태
    • 프로세스가 종료된 상태

프로세스 계층 구조

• 부모 프로세스 : 새 프로세스를 생성한 프로세스
• 자식 프로세스 : 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스
• 프로세스 계층 구조

프로세스 생성 기법

• 부모 프로세스를 통해 생성된 자식 프로세스들은 복제와 옷갈아입기를 통해 실행된
  • fork : 부모 프로세스에서 복제하여 자식 프로세스 생성
  • exec : 자식 프로세스는 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체

10-3. 스레드

프로세스와 스레드

• 단일 스레드 프로세스
  • 모든 프로세스가 하나의 실행 흐름을 가지고 한번에 하나의 부분만 실행되는 프로세스
• 스레드
  • 하나의 프로세스가 한번에 여러 일을 동시에 처리할 수 있음
  • 프로세스를 구성하는 여러 명령어를 동시에 실행
  • 프로세스를 구성하는 실행 단위

멀티프로세스와 멀티스레드

• 멀티프로세스 : 여러 프로세스를 동시에 실행하는 것
• 멀티스레드 : 여러 스레드로 프로세스를 동시에 실행하는 것

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11. CPU 스케줄링

11-1. CPU 스케줄링 개요

프로세스 우선순위

• 우선순위
  • 우선순위가 높은 프로세스 : 빨리 처리해야하는 프로세스
  • 모든 프로세스가 CPU를 차례대로 돌아가며 사용하는 것보다 각각의 상황에 맞게 CPU를 배분하는 것이 더 효율적이다.
  • 상황에 맞게 그리고 프로세스의 중요도에 맞게 프로세스가 CPU를 이용할 수 있도록 하기 위해 우선순위를 부여

스케줄링 큐

• 스케줄링 큐
  • 운영체제가 매번 일일이 모든 PCB를 검사하여 먼저 자원을 이용할 프로세스를 결정하는 것은 번거롭고 오랜시간이 걸림
  • 프로세스들을 줄세워 운영체제는 스케줄링 큐로 구현하고 관리함
  • 준비 큐 : CPU를 이요하고 싶은 프로세스들이 서는 줄
  • 대기 큐 : 입출력 장치를 이용하기 위해 대기 상태에 접어든 프로세스들이 서는 줄

선점형과 비선점형 스케줄링

• 선점형 스케줄링
  • 프로세스가 CPU를 비롯한 자원을 사용하고 있더라도 운영체제가 프로세스로부터 자원을 강제로 빼앗아 다른 프로세스에 할당할 수 있는 스케줄링 방식
  • 한 프로세스의 자원 독점을 막고, 프로세스들에 골고루 자원 배분 가능
  • 문맥 교환 과정에서 오버헤드 발생 가능
• 비선점형 스케줄링
  • 하나의 프로세스가 자원을 사용하고 있다면 그 프로세스가 종료되거나 스스로 대기 상태에 접어들기 전까진 다른 프로세스가 끼어들 수 없는 스케줄링 방식
  • 오버헤드가 적음
  • 프로세스가 골고루 자원을 사용할 수 없음

11-2. CPU 스케줄링 알고리즘

스케줄링 알고리즘 종류

• 선입 선처리 스케줄링(FCFS 스케줄링)
  • 준비된 큐에 삽입된 순서대로 프로세스들을 처리하는 비선점형 스케줄링 방식
  • 호휘효과
    • 프로세스들이 실행되기 위해 기다리는 시간이 많아지는 것
• 최단 작업 우선 스케줄링(SJF 스케줄링)
  • CPU사용시간이 가장 짧은 간단한 프로세스 먼저 실행하는 스케줄링 방식
  • 비선점형이자 선점형
• 라운드 로빈 스케줄링
  • 선입 선처리 스케줄리에 타임 슬라이스라는 개념이 더해진 스케줄링 방식
  • 타임 슬라이스
    • 각 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 정해진 시간
• 최소 잔여 시간 우선 스케줄링(SRT 스케줄링)
  • 최단 작업 우선 스케줄링 알고리즘과 라운드 로빈 알고리즘을 합친 스케줄링 방식
• 우선순위 스케줄링
  • 프로세스들에 우선순위를 부여하고 가장 높은 우선순위를 가진 프로세스부터 실행하는 스케줄링 방식
• 다단계 큐 스케줄링
  • 우선순위 스케줄링의 발전된 형태
  • 우선순위별로 준비 큐를 여러개 사용하는 스케줄링 방식
• 다단계 피드백 큐 스케줄링
  • 다단계 큐 스케줄링의 발전된 형태
  • 프로세스들이 큐 사이를 이동할 수 있는 다단계 큐 스케줄링

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MISSION

p304. 확인문제 1번

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