운영체제란?

컴퓨터라는 하드웨어 상에 프로그램들이 동작되려면 이 하드웨어들과 적절하게 데이터틀 주고 받으며 논리적인 일들을 해야만 한다.

그 하드웨어에게 일을 시키는 주체가 바로 운영체제이다.

운영체제의 목적 및 기능

운영체제의 목적은 처리능력 향상, 사용 가능도 향상, 신뢰도 향상, 반환 시간 단축 등에 있으며, 이런 운영체제의 기능은 여러 가지가 있다.

• 프로세서, 기억장치, 입출력장치, 파일 및 정보 등의 자원을 관리한다.

• 자원을 효율적으로 관리하기 위해 자원의 스케줄링 기능을 제공한다. 스케줄링이란 어떤 자원을 누가, 언제, 어떤 방식으로 사용할지를 결정해주는 것을 뜻한다.

• 사용자와 시스템 간의 편리한 인터페이스를 제공한다.

• 시스템의 각종 하드웨어와 네트워크를 관리하고 제어한다.

운영 체제의 시스템 자원 관리

운영체제가 없다면, 응용 프로그램이 실행될 수 없다.

응용 프로그램은 컴퓨터를 이용해 다양한 작업을 하는 것이 목적이고, 운영체제는 응용 프로그램이 하드웨어에게 일을 시킬 수 있도록 도와준다.

하드웨어를 구성하는 일을 하는 CPU, 자료를 저장하는 RAM, 디스크 등의 시스템 자원을 관리하는 주체가 바로 운영체제입니다.

• 프로세스 관리(CPU)
• 메모리 관리
• I/O(입출력) 관리 (디스크, 네트워크 등)

응용 프로그램 관리

모든 응용 프로그램이 시스템의 자원을 마음대로 사용한다면, 해커에 의한 공격에 무방비한 상태가 된다.
따라서, 응용 프로그램은 권한에 대한 관리가 필요하다.

응용 프로그램이 실행되고, 시스템 자원을 사용할 수 있도록 권한과 사용자를 관리한다.

운영체제를 통해 컴퓨터에게 일을 시키는 것

스마트폰에서 사용자에게 어떤 디바이스(카메라 등)의 사용을 허락받는 화면을 본 적이 있을 겁니다.
이와 마찬가지로, 응용 프로그램 역시 운영체제가 프린터 사용을 허가해 주지 않는다면 사용할 수 없습니다.
워드프로세서 프로그램이 프린터를 사용해서 인쇄하기 위해서는, 워드프로세서 프로그램은 운영체제로부터 프린터 사용에 대한 권한을 부여받아야 합니다.

응용 프로그램이 프린터 사용에 대한 권한을 획득한 후에는, 프린터를 사용할 때 필요한 API를 호출해야 합니다.

이 API는 시스템 콜로 이루어져 있습니다.

프로세스란?

프로세스는 프로그램이 실행 중인 상태로 특정 메모리 공간에 프로그램의 코드가 적재되고 CPU 가 해당 명령어를 하나씩 수행하고 있는 상태를 의미한다.

프로세스 구성 요소

프로세스의 구조체에는 프로세스마다 독립적으로 관리해야 하는 유저 메모리 영역이나 프로세스가 사용하는 각종 객체들의 포인터를 관리하는 핸들 테이블을 가지고 있습니다.

1. 유저 메모리 영역 관리(Virtual Address Descriptors)

프로세스 별로 독립된 영역을 가지게 되는 곳은 유저 메모리 공간입니다. 커널 메모리 공간의 경우 모든 프로세스가 공유하여 사용하고 있다.

프로세스 별로 독립적인 유저 메모리 영역을 관리하기 위해서 VAD(Virtual Address Descriptors)라는 관리 테이블이 존재합니다.

2. 핸들 테이블(Handle Table)

핸들 테이블은 프로세스에서 사용하는 모든 핸들에 대한 커널 객체 포인터 정보를 배열 형태로 가지고 있는 공간이다.

프로세스가 종료하게 될 때 이 테이블의 정보를 참고하여 이 프로세서에서 사용하고 있는 모든 커널 객체를 자동으로 반환합니다.

3. 독립적인 메모리 공간

프로세스 단위로 관리되는 자원 중 가장 중요한 구별점은 가상 메모리이다.
페이징 기법을 이용하여 프로세스마다 별도의 고유한 메모리를 사용할 수 있게 하고 있다.

프로세스 특징

1. 자원 소유의 단위

각각의 프로세스는 자신의 실행 이미지 로드와 실행에 필요한 추가적인 메모리 공간을 가지고 있어야 한다.

이것은 각 프로세스마다 구별되어야 하며 해당 프로세스가 접근하고자 하는 파일, I/O 장치들에 대해서 또한 프로세서 단위로 할당 받아 관리되어야 한다.

2. 디스패칭의 단위

프로세스는 하나의 프로그램이 운영체제로부터 CPU 의 자원을 일정 기간 동안 할당 받아 명령어를 실행하는 것이며, 운영체제는 여러 개의 프로세스가 병렬적으로 실행되게 하기 위해서 CPU 의 사용 시간을 각각의 프로세스에 골고루 나누어 주어야 합니다.

하나의 프로세스에서 여러 개의 디스패칭 단위가 실행될 수 있도록 하고 있으며, 이러한 디스패칭 단위를 스레드라 부른다.

프로세스 상태

• 실행(Run) : 프로세스가 프로세서를 차지하여 서비스를 받고 있는 상태를 말합니다.
• 준비(Ready) : 실행될 수 있도록 준비되는 상태를 말합니다.
• 대기(Waiting) : CPU 의 사용이 아니라 입출력의 사건을 기다리는 상태를 말합니다.

프로세서 VS 프로세스

프로세서(Processor)

프로세서는 하드웨어적인 측면과 소프트웨어적인 측면으로 나누어 볼 수 있습다.

• 하드웨어적인 측면 : 컴퓨터 내에서 프로그램을 수행하는 하드웨어 유닛으로, 중앙처리장치(CPU)를 의미하며 적어도 하나 이상의 ALU와 레지스터를 내장하고 있다.
• 소프트웨어적인 측면 : 데이터 포맷을 변환하는 역할을 수행하는 데이터 처리 시스템을 의미한다. 워드프로세서나 컴파일러 등이 여기에 속합니다.

프로세스(Process)

프로세스는 특정 목적을 수행하기 위해 나열된 작업의 목록을 의미한다.
메모리에 적재 되어 프로세서에 의해 실행 중인 프로그램을 프로세스라고 볼 수 있다.

스레드란?

스레드는 명령어가 CPU 를 통해서 수행되는 객체의 단위입니다.

하나의 프로세스 내에는 반드시 1개 이상의 스레드가 존재하며, 이러한 스레드는 같은 프로세스에 있는 자원과 상태를 공유합니다.

같은 프로세스 내에 있는 스레드는 같은 주소 공간에 존재하게 되며 동일한 데이터에 접근할 수 있다.

또한 하나의 스레드가 수정한 메모리는 같은 메모리를 참조하는 스레드에 영향을 미치게 됩니다.

예를 들어 하나의 스레드에서 오픈한 파일을 다른 스레드가 사용할 수 있습니다. 프로세스가 종료되면 그 프로세스에 속해있던 스레드도 함께 종료됩니다.

스레드는 왜 필요한가?

하나의 프로세스 안에서 여러 개의 루틴을 동시에 수행하여서 수행 능력을 향상하려고 할 때 스레드를 사용하게 되는데, 독립적으로 수행하여 처리하려고 할 때 사용하게 된다.

즉 여러 개의 작업 단위로 구성된 프로그램에서 요청을 동시에 처리하기 위해서 필요하다.

스레드의 구성요소

• 가상 CPU : 인터프리터, 컴파일러에 의해 내부적으로 처리되는 가상 코드입니다.
• 수행 코드 : Thread Class에 구현되어 있는 run() Method 코드입니다.
• 처리 데이터 : Thread에서 처리하는 데이터입니다.

스레드의 특징

• 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이다. 하나의 스레드는 시작해서 종료할 때까지 한번에 하나씩 명령들을 수행합니다

• 각 스레드마다 call stack이 존재(call stack: 실행 중인 서브루틴을 저장하는 자료 구조)하며, 나머지 Code, Data, Heap 영역은 스레드 끼리 공유합니다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.

• 스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작한다. 독립적으로 동작하기 때문에 두 개 이상의 스레드가 동작되는 경우, 두 개 이상의 스레드의 실행 및 종료순서는 예측할 수 없다.

싱글 스레드와 멀티 스레드

싱글 스레드(Single-Thread)

프로세스가 단일 스레드로 동작하는 방식으로 일련의 처리를 단일 스레드만으로 직렬 처리하는 프로그래밍 방법이다.
하나의 레지스터, 스택으로 표현한다. 자바스크립트가 가장 대표적인 싱글 스레드 언어이다.

싱글 스레드의 장점

1. 여러 개의 스레드가 프로세스의 자원을 공유할 경우,각 스레드가 원하는 결과를 얻게 하려면 공용 자원에 대한 접근을 제어해야 하는데 이런 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 된다.

2. 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 되므로 문맥 교환(context switch) 작업 또한 요구하지 않는다.

3. 프로그래밍 난이도가 쉽고, CPU 메모리를 적게 사용합니다.

싱글 스레드의 단점

1. 여러 개의 CPU를 활용하지 못한다. 싱글 스레드는 하나의 물리적 코어밖에 사용하지 못해 멀티 코어 머신에서 CPU 사용을 최적화할 수 없다.

2. 연산량이 많은 작업을 하는 경우, 그 작업이 완료되어야 다른 작업을 수행할 수 있다.

3. 싱글 스레드 모델은 에러 처리를 못하는 경우 멈춰버린다.

멀티 스레드 (Multi-Thread)

멀티 스레드(multi thread)란 하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 의미한다.
또한, 멀티 프로세스(multi process)는 여러 개의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에 수행하는 것을 의미한다.

시스템 자원의 활용 극대화 및 처리량 증대할 수 있어 단일 프로세스 시스템의 효율성을 높일 수 있다.

멀티 스레딩의 장점

1. 싱글 스레드인 경우, 작업이 끝나기 전까지 사용자에게 응답하지 않지만 반면 멀티스레드인 경우 작업을 분리해서 수행하므로 실시간으로 사용자에게 응답할 수 있다.

2. 싱글 스레드인 경우 한 프로세스는 오직 한 프로세서에서만 수행 가능하지만 반면 멀티 스레드인 경우 한 프로세스를 여러 프로세서에서 수행할 수 있으므로 훨씬 효율적이다.

멀티 스레드의 단점

1. 주의 깊은 설계가 필요하며, 디버깅이 까다롭습니다.

2. 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어려우며 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없습니다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없습니다.)

3. 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생합니다. 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받게 된다.

4. 문맥 교환 작업을 요구합니다. CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 문맥 교환(Context Switching)이라 한다. 문맥 교환이란 다른 태스크(프로세스, 스레드)가 시작할 수 있도록 이미 실행 중인 태스크(프로세스, 스레드)를 멈추는 것을 말한다.

동시성과 병렬성의 차이

동시에 돌릴 수 있는 스레드 수는 컴퓨터에 있는 코어 개수로 제한된다.
운영체제(또는 가상 머신)는 각 스레드를 시간에 따라 분할하여, 여러 스레드가 일정 시간마다 돌아가면서 실행되도록 한다. 이런 방식을 시분할이라고 합니다.

• Concurrency(동시성, 병행성): 여러 개의 스레드가 시분할 방식으로 동시에 수행되는 것처럼 착각을 불러일으킴
• Parallelism(병렬성): 멀티 코어 환경에서 여러 개의 스레드가 실제로 동시에 수행됨