[혼공컴운] 4주차 Chapter 09~11

yeon·2024년 1월 28일

기본 미션

p.304의 확인 문제 1번 풀고 인증하기

다음은 프로세스 상태를 보여주는 프로세스 상태 다이어그램입니다. ①부터 ⑤까지 올바른 상태를 적어보세요.

정답 ① 생성 상태, ② 준비 상태, ③ 실행 상태, ④ 종료 상태, ⑤ 대기 상태

선택 미션

ch11(11-2) 준비 큐에 A, B, C, D 순으로 삽입되었다고 가정했을 때, 선입 선처리 스케쥴링 알고리즘을 적용하면 어떤 프로세스 순서대로 CPU를 할당받는지 풀어보기

정답:
선입 선처리 스케줄링 알고리즘은 준비 큐에 삽입된 순서대로 CPU를 할당함
-> A-B-C-D 순으로 CPU를 할당받음

내용 정리

9-1. 운영체제를 알아야 하는 이유

운영체제: 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고, 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램

운영체제와의 대화를 통해 하드웨어와 프로그램을 더 깊이 이해하고 문제 해결의 실마리를 찾을 수 있음

운영체제는 메모리 내 커널 영역 (kernel space)에 적재됨
- 사용자 영역 (user space)에 적재된 프로그램들에 자원을 할당하고 이들이 올바르게 실행되도록 관리하는 역할

9-2. 운영체제의 큰 그림

커널 (kernel): 운영체제의 핵심 기능을 담당

이중 모드 (dual mode): CPU가 명령어를 실행하는 모드를 커널 모드 (kernel mode)와 사용자 모드 (user mode)로 구분하는 방식

시스템 호출 (system call): 운영체제의 서비스를 제공받기 위해 커널 모드로 전환하는 방법

대표적인 운영체제 서비스로 프로세스 관리, 자원 접근 및 할당, 파일 시스템 관리가 있음

운영체제의 핵심 서비스는 커널 모드로 실행
일반적인 응용 프로그램은 사용자 모드로 실행
시스템 호출을 통해 사용자 모드에서 커널 모드로 전환할 수 있음
시스템 호출은 일종의 인터럽트이며, 소프트웨어적인 인터럽트임
사용자 인터페이스는 운영체제에서 제공하는 서비스지만, 커널에 포함되지 않음 (GUI, CLI)

10-1. 프로세스 개요

프로세스: 실행 중인 프로그램

포그라운드 프로세스

백그라운드 프로세스

운영체제는 프로세스 제어 블록 (PCB: Process Control Block)을 통해 여러 프로세스를 관리

문맥 교환: 프로세스 간에 실행을 전환하는 것

프로세스 사용자 영역

코드 영역

데이터 영역

스택 영역

힙 영역

프로세스 제어 블록 (PCB)
프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료 구조이며 커널 영역에 생성됨

프로세스 ID (PID: Process ID)
- 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호
레지스터 값
- 자신의 실행 차례가 돌아오면 이전까지 사용했던 레지스터의 중간값들을 모두 복원 -> 이전까지 진행했던 작업들을 그대로 이어 실행할 수 있음
- PCB 안에는 해당 프로세스가 실행하며 사용했던 프로그램 카운터, 스택 포인터 등을 비롯한 레지스터 값들이 담김
프로세스 상태
- 현재 프로세스가 어떤 상태인지 PCB에 기록
CPU 스케쥴링 정보
- 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보도 PCB에 기록
메모리 관리 정보
- 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보 저장
사용한 파일과 입출력장치 목록
- 특정 입출력장치나 파일을 사용하면 PCB에 해당 내용이 명시됨

문맥 교환 (context switching)
기존 프로세스의 문맥을 PCB에 백업하고, 새로운 프로세스를 실행하기 위해 문맥을 PCB로부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것
(문맥: 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보)

프로세스의 메모리 영역

(동적 할당 영역은 프로세스 실행 과정에서 그 크기가 변할 수 있음)

코드 영역 (code segment)
- 기계어로 이루어진 명령어(CPU가 실행할 명령어) 저장
- 쓰기 금지, 읽기 전용 (read-only) 공간
데이터 영역 (data segment)
- 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간
  ex) 전역 변수 (global variable)
힙 영역
- 사용자가 직접 할당할 수 있는 저장 공간
- 언젠가는 해당 공간 반환해야 함
  ex) 가비지 컬렉션
  반환하지 않으면 메모리 낭비 초래 -> 메모리 누수 (memory leak)
스택 영역
- 데이터를 일시적으로 저장하는 공간
  ex) 매개 변수, 지역 변수

❓ Java의 가비지 컬렉션

GC(Garbage Collection) 진행 방법
1. Eden 영역에서 객체가 생성됨
2. Eden 영역이 꽉 차면 살아있는 객체만 Survivor 영역으로 복사되고, 다시 Eden 영역을 채우게 됨
3. Survivor 영역이 꽉 차게 되면 다른 Survivor 영역으로 객체가 복사됨. 이때, Eden 영역에 있는 객체들 중 살아있는 객체들도 다른 Survivor 영역으로 감. 즉, Survivor 영역의 둘 중 하나는 반드시 비어 있어야만 함.

10-2. 프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태에는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료가 있음

프로세스가 다른 프로세스를 생성한 경우 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스, 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 부름

많은 운영체제는 프로세스가 프로세스를 낳는 프로세스 계층 구조로 프로세스들을 관리

프로세스 상태

생성 상태 (new)
- 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태
준비 상태 (ready)
- CPU를 할당받기를 기다리고 있는 상태
- 디스패치 (dispatch): 준비 상태인 프로세스가 실행 상태로 전환되는 것
실행 상태 (running)
- CPU를 할당받아 실행 중인 상태
- 프로세스가 할당된 시간을 모두 사용한다면(타이머 인터럽트가 발생하면) 다시 준비 상태가 됨
- 실행 도중 입출력장치를 사용하여 입출력장치의 작업이 끝날 때까지 기다려야 한다면 대기 상태가 됨
대기 상태 (blocked)
- 특정 이벤트가 일어나길 기다릴 때 프로세스는 대기 상태가 됨
- 프로세스가 대기 상태가 되는 대부분의 원인이 입출력 작업임
  - 입출력작업은 CPU에 비해 처리 속도가 느리기에, 입출력 작업을 요청한 프로세스는 입출력장치가 입출력을 끝낼 때까지 (입출력 완료 인터럽트를 받을 때까지) 기다려야 함
종료 상태 (terminated)
- 프로세스가 종료되는 상태
- 프로세스가 종료되면 운영체제는 PCB와 프로세스가 사용한 메모리를 정리함

프로세스 계층 구조

프로세스는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있음
새 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스 (parent process)
부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스 (child process)

프로세스 생성 기법

fork 시스템 호출을 하면 부모 프로세스의 복제본이 자식 프로세스로서 생성됨
exec 시스템 호출을 하면 프로세스의 메모리 공간이 다른 프로세스의 내용으로 변경됨
많은 운영체제는 fork와 exec를 통해 프로세스 계층 구조를 형성함

10-3. 스레드

스레드: 프로세스 내의 실행 흐름 단위

멀티프로세스: 여러 프로세스를 동시에 실행하는 것

멀티스레드: 여러 스레드로 프로세스를 동시에 실행하는 것

스레드

프로세스 내의 실행의 흐름 단위
각기 다른 스레드 ID, 프로그램 카운터 값을 비롯한 레지스터 값, 스택으로 구성됨 -> 스레드마다 각기 다른 코드 실행 가능
프로세스 자원을 공유한 채(코드/데이터/힙 영역) 실행에 필요한 최소한의 정보만으로 실행됨
최근 많은 운영체제는 CPU에 처리할 작업을 전달할 때 프로세스가 아닌 스레드 단위로 전달

멀티프로세스와 멀티스레드

프로세스끼리는 기본적으로 자원을 공유하지 않음
- 쓰기 시 복사 (copy on write) 기법 (fork를 한 직후 같은 프로세스를 통째로 메모리에 중복 저장하지 않으면서 동시에 프로세스끼리 자원을 공유하지 않는 방법)도 있음

스레드끼리는 같은 프로세스 내의 자원을 공유함
- 서로 협력과 통신에 유리
- 하나의 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드도 영향을 받음

11-1. CPU 스케줄링 개요

CPU 스케줄링 (CPU scheduling): 공정하고 합리적으로 CPU 자원을 배분하는 방법을 의미

프로세스는 우선순위를 가지고 있고, 이는 PCB에 명시됨

운영체제는 효율적인 스케줄링을 위해 스케줄링 큐를 사용함

준비 큐 (ready queue): CPU 할당을 기다리는 프로세스들을 위한 큐를 의미

대기 큐 (waiting queue): 입출력장치를 기다리는 프로세스들을 위한 큐를 의미

선점형 스케줄링 (preemptive scheduling): 프로세스가 이용 중인 자원을 빼앗을 수 있음

비선점형 스케줄링 (non-preemptive scheduling): 프로세스가 이용 중인 자원을 빼앗을 수 없음

프로세스 스케줄링

운영체제는 우선순위를 토대로 프로세스들을 스케줄링함
운영체제는 스케줄링 큐를 사용하여 스케줄링할 프로세스들을 관리
준비 큐에는 준비 상태인 프로세스들이, 대기 큐에는 대기 상태인 프로세스들이 삽입됨

선점형과 비선점형 스케줄링

선점형 스케줄링은 어느 한 프로세스가 자원을 독점할 수 있는 스케줄링 방식
- 문맥 교환 과정의 오버헤드가 비선점형 스케줄링에 비해 더 큼
비선점형 스케줄링은 어느 한 프로세스가 자원을 독점할 수 없는 스케줄링 방식
- 문맥 교환 과정의 오버헤드가 선점형 스케줄링에 비해 적음

11-2. CPU 스케줄링 알고리즘

선입 선처리 스케줄링 (First Come First Served Scheduling) 알고리즘: 준비 큐에 삽입된 순서대로 CPU를 할당

최단 작업 우선 스케줄링 (SJF: Shortest Job First Scheduling) 알고리즘: 준비 큐에 삽입된 프로세스들 중 CPU 사용 시간의 길이가 가장 짧은 프로세스부터 CPU를 할당

라운드 로빈 스케줄링 (round robin scheduling) 알고리즘: 정해진 시간만큼만 돌아가며 CPU를 할당

우선순위 스케줄링 (priority scheduling) 알고리즘: 가장 높은 우선순위를 가진 프로세스에 CPU를 할당

다단계 피드백 큐 스케줄링 (multilivel feedback queue scheduling) 알고리즘: 프로세스들이 큐 사이를 이동할 수 있는 다단계 큐 스케줄링

선입 선처리 스케줄링 (First Come First Served Scheduling)

단순히 준비 큐에 삽입된 순서대로 처리하는 비선점 스케줄링
먼저 CPU를 요청한 프로세스부터 CPU 할당
단점: 프로세스들이 기다리는 시간이 매우 길어질 수 있다는 부작용
-> 호위 효과 (convoy effect)

최단 작업 우선 스케줄링 (SJF 스케줄링: Shortest Job First Scheduling)

CPU 사용 시간이 가장 짧은 프로세스부터 처리하는 스케줄링 방식
호위 효과를 방지하려면?
-> CPU 사용이 긴 프로세스는 나중에 실행, CPU 사용 시간이 짧은 프로세스는 먼저 실행

라운드 로빈 스케줄링 (Round Robin Schedling)

선입 선처리 스케줄링 + 타임 슬라이스 (time slice)
- 타임 슬라이스: 각 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 정해진 시간
정해진 타임 슬라이스만큼의 시간동안 돌아가며 CPU를 이용하는 선점형 스케줄링
- 큐에 삽입된 프로세스들은 순서대로 CPU를 이용하되 정해진 시간만큼만 이용
- 정해진 시간을 모두 사용하였음에도 아직 프로세스가 완료되지 않았다면 다시 큐의 맨 뒤에 삽입 (문맥교환)
  -> 타임 슬라이스의 크기가 중요

최소 잔여 시간 우선 스케줄링 (SRT 스케줄링: Shortest Remaining Time Scheduling)

최단 작업 우선 스케줄링 + 라운드 로빈 스케줄링
- 최단 작업 우선 스케줄링: 작업 시간이 짧은 프로세스부터 처리하는 스케줄링 알고리즘
- 라운드 로빈 스케줄링: 정해진 타임 슬라이스만큼 돌아가며 사용하는 스케줄링 알고리즘
-> 정해진 시간만큼 CPU를 이용하되, 다음으로 CPU를 사용할 프로세스로는 남은 작업 시간이 가장 적은 프로세스 선택

우선순위 스케줄링 (Priority Scheduling)

프로세스들에 우선순위를 부여하고, 우선순위 높은 프로세스부터 실행
우선순위가 같은 프로세스들은 선입 선처리로 스케줄링
(최단 작업 우선 스케줄링, 최소 잔여 시간 스케줄링) ⊂ 우선순위 스케줄링
우선순위 스케줄링의 근본적인 문제점 -> 기아 (starvation) 현상
- 우선순위 높은 프로세스만 주구장창 실행
- 우선순위 낮은 프로세스는 (준비 큐에 먼저 삽입되었음에도 불구하고) 실행 연기
-> 이를 방지하기 위한 기법: 에이징 (aging)
- 오랫동안 대기한 프로세스의 우선순위를 점차 높이는 방식
- 대기 중인 프로세스의 우선순위를 마치 나이 먹듯 점차 증가시키는 방법
  - 우선순위가 낮아도 언젠가는 우선순위가 높아짐