운영체제(OS, Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스임. 참고로 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것을 펌웨어(firmware)라고 함.
1. 운영체제와 컴퓨터
3.1.1 운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스로 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
- 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
- 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
- I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리
운영체제의 구조
이때 GUI 가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 있음.
GUI
사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해줌.
드라이버?
하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
CUI?
그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
시스템콜
시스템콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스. 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용함.
유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널모드로 변환되어 실행됨.
유저모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 변환되어 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가기 때문에, 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있음.
I/O 요청
입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
드라이버
위의 그림처럼 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달됨.
이 시스템콜은 하나의 추상화 계층임. 따라서 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있음.
modebit
시스템콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분함. modebit은 1, 0의 값을 가지는 플래그 변수임. 카메라, 키보드 등 I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야함. 그렇지 않으면 사용하자 의도하지 않은 동작이 컴퓨터에서 수행될 수 있음. modebit의 0은 커널 모드, 1은 유저모드임. 유저모드일 경우에는 시스템콜을 못하게 막아서 한정된 일만 할 수 있게함.
용어
커널
운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 함
3.1.2 컴퓨터의 요소
컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있음.
CPU(Central Processing Unit)
산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치를 말하며, 인터럽드에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼임. 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리함.
제어장치(CU, Control Unit)
프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품임. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정함.
레지스터
CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가르킴. CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠름. 레지스터를 거쳐 데이터를 전달함.
산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로임.
CPU의 연산 처리
- 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드함. 또한 레지스터에도 로드함.
- 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령함.
- 제어장치가 계산된 값을 다시 '레지스터에서 메모리로' 계산한 값을 저장함.
인터럽트
인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말함. 키보드, 마우스 등 I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생함.
인터럽트가 발생되면 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉨
하드웨어 인터럽트
키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말함.
소프트웨어 인터럽트
trap(트랩)이라고도 함. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동함.
DMA 컨트롤러
I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻함. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 아주며 CPU의 일을 보조하는 일꾼임.
메모리(memory)
전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말함. 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고 함. 이름과 같이 기억을 담당함. CPU가 일꾼이라면, 메모리는 작업장. 메모리가 클수록 더 많은 일을 빠르게 할 수 있음.
타이머(timer)
몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 함. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재함.
디바이스 컨트롤러(divice controller)
컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말함.
2. 메모리
3.2.1 메모리 계층
메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있음.
이런 계층이 있는 이유는 경제성과 캐시 때문임.
- 레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적음.
- 캐시: L1, L2 캐시를 지칭함. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적음. 참고로 L3 캐시도 있음.
- 주기억장치: RAM. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통임.
- 보조기억장치: HDD, SDD를 일컬으며 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많음.
캐시(cache)
데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 의미함. 이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있음.
실제로 메모리와 CPU 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결함. 이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 함.
지역성의 원리
캐시를 직접 설정할땐 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정해야함. 그리고 그 근거가 바로 지역성임.
지역성은 시간 지역성, 공간 지역성으로 나뉨.
시간 지역성
최근에 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성을 말함.
공간 지역성
최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성을 말함.
캐시히트와 캐시미스
캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트, 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스라고 함.
캐시매핑
캐시매핑이란 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법을 말하며 CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고 받을 때를 기반으로 설명함.
웹 브라우저의 캐시
쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있음. 이들은 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 때 자신을 나타내는 아이덴테테나 중복 요청 방지를 위해 쓰임.
쿠키
쿠키는 만료기한이 있는 키-값 저장소임. 최대 4KB까지 저장할 수 있고, 만료기간을 정할 수 있음.
로컬 스토리지
만료기한이 없는 키-값 저장소임. 10MB까지 저장할 수 있고, 웹 브라우저를 닫아도 유지됨. 추가로 HTML5에서 지원함.
세션 스토리지
만료기한이 없는 키-값 저장소임. 탭단위로 세션 스토리지를 생성, 탭을 닫을 때 해당 데이트 삭제됨. 5MB 까지 저장 가능하며, HTML5에서 지원함.
3.2.2 메모리 관리
가상 메모리(virtual memory)
메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화 하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말함.
이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address)라고 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소(physical adress)라고 함. 가상 주소는 메모리관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환됨. 이때 프로세스의 주소 정보가 들어있는 '페이지 테이블'로 관리하는데, 속도 향상을 위해 TLB를 사용함.
TLB
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시임.
스와핑
만약 가상메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생함. 이를 방지하기 위해 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮겨 필요할 때 다시 RAM으로 불러와 올리고, 사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여 RAM으로 불러와 올리고, 사용하지 않으면 다시 하드디스크로 내림을 반복하여 RAM을 효과적으로 관리하는 것임.
페이지 폴트
프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 때 발생함.
페이지 폴트가 발생했을 때 단계
1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영 체제에 알립니다.
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춥니다.
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확 인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾습니다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동됩니다.
4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화합니다.
5. 중단되었던 CPU를 다시 시작합니다.
페이지
가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
프레임
실제 미모리를 사용하는 최소 크기 단위
스레싱(thrashing)
메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미함. 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래함.이를 해결하기 위해선 메모리를 늘리거나 SDD바꾸는 방법이 있음. 운영체제에서 해결할 수 있는 방법은 작업세트와 PFF가 있음.
작업세트(working set)는 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성(locality)을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것임.
PFF(Page Fault Frequency)는 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법임.
메모리 할당
메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당함. 이때 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉨.
연속 할당
메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것.
메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할식 방식과 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변 분할 방식이 있음.
고정 분할 방식(fixed partition allocation)
메모리를 미리 나누어 관리하는 방식. 내부 단편화가 발생함.
가변 분할 방식(variable partition allocation)
매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용함. 외부 단편화가 발생함.
내부 단편화
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
외부 단편화
메모리를 나눈 크기부다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
홀
할당할 수 있는 비어있는 메모리 공간.
불연속 할당
메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 페이징 기법이 있음. 메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것임.
페이징(paging)
동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당함. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해짐.
세그멘테이션(segmentation)
페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그면트로 나누는 방식임. 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙 등으로 이루어지는데, 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수 있음을 의미합니다. 공유, 보안 측명에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제 발생.
페이지드 세그멘테이션(paged segmentation)
공유나 보안을 의미 단위의 세그먼트로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것을 말함.
페이지 교체 알고리즘
메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어남. 스와핑이 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며, 이는 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑이 일어남.
오프라인 알고리즘(offline algorithm)
먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘. 물론 미래는 알 수 없기에 사용할 수 없는 알고리즘이지만 성능비교에 대한 기준을 제공함.
FIFO
아시죠?
LRU(Least Recentle Used)
참조가 가장 오래된 페이지를 바꿈. 오래된것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있음.
LRU는 보통 해시 테이블과 이중연결 리스트를 사용함. 해시테이블은 빠르게 찾아서 쓸 수 있고, 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타냄.
NUR(Not Used Recently)
clock 알고리즘이라고도 하며 먼저 0과 1을 가진 비트를 둠. 1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미함. 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘임.
LFU(Least Frequently Used)
가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체함.
thank you☺️
