[KR] Operating System Note

Operating System (운영체제)

개요

Operating System (OS)는 사용자가 컴퓨터를 사용하기 위해 필요한 시스템 소프트웨어이다. OS는 컴퓨터의 HW와 SW의 자원을 관리해준다. OS는 오늘날 개발자가 알아야하는 필수 지식중 하나로 다음과 같은 아젠다로 복습을 할 수 있다.

User Mode (사용자 모드)

사용자 모드로 실행되는 프로그램은 시스템의 자원에 직접 접근을 할 수 없다.

System Call (시스템 호출)

시스템 호출: 사용자 프로그램이 커널의 기능을 요청하는 인터페이스이다. 사용자 모드에서 커널 모드로 전환을 한다. 예시로 read(), write(), fork() 등이 있다.

Kernel Mode (커널 모드)

OS의 커널이 실행되는 모드다. 시스템의 모든 자원에 대한 접근이 가능하다. 또한 하드웨어와 직접적으로 상호작용을 한다.

Kernel (커널)

커널: OS의 핵심으로 하드웨어와 소프트웨어를 연결하는 인터페이스다. 커널은 프로세스 관리, 메모리 관리, 하드웨어 자원 제어, 시스템 호출 관리를 해준다.

Process (프로세스) vs Thread (스레드)

프로세스와 쓰레드의 차이를 알기전에 프로그램에 대해서 다시 한 번 집고 넘어가겠다.

프로그램이은 실행 파일(executable file)로 실행을 하기전 까지는 저장 장치에 저장만 되어있는 상태이며,아직 메모리에 할당이 안되어 있는 정적인 상태다.

프로그램을 실행을 하면 정적인 상태에서 동적인 상태로 변환이 되며, 해당 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가며 이 상태를 프로세스라고 한다. 더 간단하게 말하자면 실행중인 프로그램이라고 생각하면 된다. 이 프로세스를 좀 더 작은 단위로 나눠서 접근을 할려고 하면 이제 우리는 이걸 스레드라고 한다.

프로세스

프로세스는 OS로 부터 할당 받은 독립적인 실행 단위로, 프로그램이 실행 중인 상태를 나타낸다.

커널 안에 있는 무수히 많은 요소 중에서 프로세스를 관리하기 위해 관련 정보를 저장하는 집합이 있는데 PCB이다.

Process Control Block (PCB)

PCB는 프로세스 상태 및 정보를 저장하는 자료구조를 뜻한다. 프로세스는 OS로부터 스케줄링 알고리즘을 이용해 CPU의 사용량을 할당 받는다. 프로세스를 실행 중에 Context Switching 이 발생하면 현제 상태를 저장하고 CPU를 반환해야 한다. 그리고 나중에 다시 실행 됬을때 이전 상태를 불러온다. 그 정보가 저장되는 곳이 PCB이다.

PCB 에는 다음과 같은 정보가 저장된다.

1. PID (프로세스 아이디) : 고유한 프로세스 아이디이다.

2. Process State (프로세스 상태) :

   상태	설명
   New	프로세스가 막 생성된 상태
   Ready	프로세스가 CPU에 실행되기 위해 대기하는 상
   Running	프로세스가 작동이 되는 상태
   Waiting	프로세스가 특정 이벤트를 기다리는 상태
   Terminated	프로세스가 실행은 완료한 상태

3. Program Counter (프로그램 카운터) : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가르키는 리지스터이다.
4. CPU Register : CPU가 빠르게 접근할 수 있는 임시 저장소로,프로세스가 중단되었다가 다시 실행될떄를 위한 값을 저장한다.
5. Scheduling Information: Process 우선순위, 스케줄링 관련 정보 저장한다.
6. Memory Pointer : 메모리 영역을 가르키는 포인터다. 각 프로세스는 메모리가 Code Segment, Data Segment, Heap Segment, Stack Segment로 이루어져 있다.
   1. Code Segment : 프로세스가 실행하는 코드가 기계어로 저장된 공간이다.
   2. Data Segement : Global Variable, Static Variable등이 저장되어 있는 공간이며 실행 중에 변경이 가능하다.
   3. Heap Segment : 사용자가 관리하는 영역으로 동적으로 할당한 메모리가 저장되는 공간이다.
   4. Stack Segment: 함수안에 저장이 된 Local Variable, Parameter, Return Value, Return Address등이 저장된 공간이다. 스택 자료구조 처럼 LIFO 방식으로 작동이 되며 빈 스택은 제거한다.
7. Memmory Management Information: 프로세스 주소 정보를 저장한다. Page Table, Segment Table 등이 포함된다.
8. I/O Status Information : 프로세스 실행 중 발생하는 입출력 요청관련 정보를 저장한다.
9. Account Information : 프로세서의 사용 시간, 시간 제한 등 실행 정보가 저장된다.

IPC (Inter-Process Communication)

IPC는 여러 프로세스 사이에서 서로 데이터를 주고 받는 행위를 뜻한다. 주로 파이프로 소통이 가능하며 메세지를 전달하고 받을 수 있다. 주로 read()와 write()를 이용을 한다.

예제 코드:

void write_pipe(int fd, char *msg, Trader *trader) {
	if (fd == -1) {
		perror("FD is invalid\n");
		return;
	} else {
		if (trader -> is_online) {
			// DISCONNECTED_PID = trader -> pid;
			write(fd, msg, strlen(msg));
		}
	}
}

스레드

스레드는 프로세스 내부의 작은 실행 단위로, 프로세스 내 자원을 공유를 한다. 즉 같은 프로세스 안에 있는 여러 쓰레드는 메모리 영역을 공유 할 수 있다. 그리고 여러작업을 동시에 실행할 수 있도록 지원을 한다.

Multi-Processing vs Multi-Threading

멀티 프로세싱은 한개 이상의 프로세스가 실행되는 시스템이다.

장점:

• 실행 중에 한 프로세스가 죽어도 다른 프로세스에 영향을 끼치지 않고 계속 실행

단점:

• 멀티 스레딩보다 많은 메모리 공간 (각 프로세스 당 독립적인 메모리 공간 차지)과 CPU 시간을 차지

멀티 스레딩은 한 프로세스에서 여러 개의 스레드를 동시에 실행하는 것이다.

장점:

• 여러 스레드를 동시에 실행함으로서 프로그램이 효율적으로 자원을 공유하고, 활용
• 스레드 간의 Context Switching은 같은 프로세스 내에서 Heap을 공유하므로, 프로세스 간의 Context Switching보다 더 빠르고 가벼움

단점:

• 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 스레드에 영향을 받음
• 다수의 스레드가 공유 데이터에 접근할 경우에 동기화 기법이 필수

Context Switching (문맥 전환)

문맥 전환은 현재 실행하던 작업을 저장하고 다른 작업을 수행하기 위한 과정이다.

Scheduling (스케줄링)

스케줄링: CPU 자원을 프로세스/쓰레드에 할당하는 전략이다.

스케줄링 알고리즘

• FCFS(First Come First Served) : 요청된 순서대로 프로세스를 실행하지만 긴 프로세스가 짧은 프로세스를 지연한다.
• Round Robin : 할당량을 정하고 : 정해진 시간만큼 하당한 후 각 프로세스를 실행하며, 응답 시간이 동일하지만 문맥 전환 비용이 발생한다.
• SJF(Shortest Job First) : 실행 기간이 짧은 프로세스를 먼저 실행하며 평균 대기 시간을 최소화하지만, 실행 중에 인터럽트가 불가능하다.
• Priority Scheduling : 우선 순위가 높은 프로세스부터 실행을 하며, 운선 순위에 밀려나가 프로세스는 실행이 안 될 가능성이 있다.

  Interrupt (인터럽트)

  인터럽트는 CPU의 현재 작업을 중단하고 우선 순위가 높은 작업을 처리하도록 주는 신호다.

인터럽트 처리 과정은 다음과 같다.

1. 인터럽트 발생
2. 언터럽트 서비스 루틴 실행 : 인터럽트 발생 시 실행되는 코드
3. 인터럽트 처리
4. 원래 작업으로 복귀

Process Synchronization (동기화)

주요 문제: Race condition(경쟁 상태), Deadlock(교착 상태), Starvation(기아 상태).

Lock: 상호 배제(mutual exclusion)을 보장.

Conditional Variable: 특정 조건을 만족할 때까지 쓰레드를 대기시키는 동기화 도구.

Concurrency (동시성) vs Parallelism (병렬성)

• concurrency : 여러 작업이 동시에 처리
• Parallelism : 어떤 하나의 작업을 여러개로 나눈후, 이를 동시에 처리해서 완성하는 개념

Race Condition (경쟁 상태)

레이스 컨티션은 두개 이상의 스레드가 공유 자원을 읽고 수정하면서 시간에 따라 다른 출력을 나타내는 상황이다.

Critical Section (임계 구역)

임계 구역은 두개 이상의 프로세스를 실행할때 동일한 자원을 동시에 접근하는 작업을 실행하는 코드 구간이다.

1. Mutual Exclusion
2. Progress
3. Bounded Waiting

Solution

• Hardware
  1. Memory Barriers
  2. Compare & Swap
  3. Atomic Variables
• Software
  1. Mutex Locks
  2. Semaphores
  3. Monitor

Memory Management (메모리 관리)

PCB에 설명한대로 메모리는 Code, Data, Heap, Stack 구간으로 나뉘어 질 수 있다.

Virtual Memory (가상 메모리)

Virtual Memory: 실제 물리적 메모리보다 큰 논리적 주소 공간을 제공 한다.

장점:

• 큰 프로그램 실행 가능
• 메모리 효율적 사용

Paging (페이징)

페이징은 가상 주소 공간을 고정 크기 단위인 페이지로 나누고, 물리적 주소를 페이지 프레임으로 나눠서 매핑하는걸 의미한다. 이떄 페이지 테이블을 이용해서 가상 메모리를 관리를 해준다.

사용되는 알고리즘: FIFO, LRU(Least Recently Used), Optimal.

• 메모리 보호
• 페이징 테이블
• 접근 권한

Swapping (스와핑)

스와핑은 물리 메모리 부족 시, 일부 페이지를 디스크로 이동하는 행위를 일컫는다.

Page Fault (페이지 폴트): 필요한 페이지가 메모리에 없을 때 발생한다.

기타

Redundant Array of Independent (RAID)

RAID는 여러개의 하드디스크가 있을때 동일한 데이터를 다른 위치에 중복해서 저장하는 방법이다. 이는 데이터 복구를 위해 자주 쓰는 방법이다.

References

• Operating Systems: Three Easy Pieces
• Multi-Threading vs Multi-Processing
• User mode, Kernel Mode
• 메모리 구조
• 프로세스와 스레드 차이
• 프로세스 상태
• 신입 백앤드 개발자(나)를 위한 면접 질문 정리 - 네트워크, 운영체제