운영체제

 

참고

면접을 위한 CS 전공지식 노트 https://www.gilbut.co.kr/book/view?bookcode=BN003386

 

운영체제, OS, Operating System

사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스

 

운영체제와 컴퓨터

운영체제의 역할

CPU 스케줄링 및 프로세스 관리, 메모리 관리, 디스크 파일 관리, I/O 디바이스 관리

 

CPU 스케줄링 및 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성 및 삭제, 자원 할당 및 반환 관리
메모리 관리: 메로리를 어떤 프로세스에 얼마나 할당할지 관리
디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
I/O 디바이스 관리: 마우스, 키보드와 같은 컴퓨터 간 데이터를 주고받는 것 관리

 

운영체제의 구조

유저 프로그램 - GUI - 시스템 콜 - 커널 - 드라이버 - 하드웨어

 

시스템 콜
운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스. 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후, 유저 모드가 시스템 콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행됨
이를 통해 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근 차단 및 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호 가능

 

I/O 요청
입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 작업

 

드라이버
하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

 

modebit
유저 모드와 커널 모드는 modebit를 통해 구분. 시스템 콜이 작동될 때 이를 참고하며, 1 또는 0의 플래그 변수

 

유저 모드
유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두어 컴퓨터 자원에 함부로 접근하지 못하는 모드

 

커널 모드
모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

 

커널
운영체제의 핵심 부분. 시스템 콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 주요 역할 수행

 

컴퓨터의 요소

CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어짐

 

CPU, Central Processing Unit
산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치. 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하고 있는 명령어를 해석해서 실행

 

제어장치, CU, Control Unit
프로세스 조작을 지시하는 CPU의 부품. 입출력장치간 통신을 제어하고, 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서 결정

 

레지스터
CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치. CPU와 직접 연결되어 있어 연산 속도가 메모리보다 수십~수백 배 빠름
CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 수 없기에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달

 

산술논리연산장치, ALU, Arithmetic Logic Unit
덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연살과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 수행하는 디지털 회로

 

CPU의 연산 처리
제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산.

 

1: 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드하고, 레지스터에도 로드
2: 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령
3: 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 저장

 

인터럽트
어떠한 신호가 들어왔을 때, CPU를 잠시 정지시키는 것. 키보드와 마우스 같은 I/O 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 나누기와 같은 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생

인터럽트가 발생되면, 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨
인터럽트는 우선 순위가 있으며, 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 나뉨

 

인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때, 이를 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부 IRQ를 통해 호출되며, request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있음

 

하드웨어 인터럽트
키보드 연결, 마우스 연결 등 I/O 디바이스에서 발생하는 인터럽트.

 

소프트웨어 인터럽트
트랩이라고도 함. 프로세스 오류 등 프로세스가 시스템 콜을 호출할 때 발동

 

DMA 컨트롤러

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록하는 하드웨어 장치. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어와 CPU 부하가 발생하지 않기 위해 CPU를 도와 작업을 분담

 

메모리

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치. 보통 RAM을 메모리라고 함

 

타이머

작업의 기한을 정하고, 특정 프로그램에 시간 제한을 부여하는 역할. 오랜 시간이 걸리는 프로그램에 제한을 걸기 위해 존재

 

디바이스 컨트롤러, Device Controller

컴퓨터와 연결되어 있는 I/O 디바이스들의 작은 CPU. 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 의미

 

메모리

메모리 계층

크기의 오름차 순으로 레지스터 - 캐시 - 메모리 - 저장장치

레지스터: CPU 안에 있는 작은 메모리
캐시: L1, L2 캐시를 지칭
주기억장치: RAM
보조기억장치: HDD, SDD를 지칭

 

캐시, Cache

데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소. 빠른 장치와 느린 장치 사이에서 속도로 인해 발생하는 병목 현상을 줄이기 위한 메모리. 이를 통해 데이터 접근이 오래 걸리는 경우 해결과 무언가를 다시 계산하는 시간 절약

 

시간 지역성
최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성.

 

공간 지역성
최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하려는 특성

 

캐시 히트와 캐시 미스

캐시 히트: 캐시에서 원하는 데이터를 찾았을 때
캐시 미스: 캐시에서 원하는 데이터가 존재하지 않아 주메모리에서 데이터를 찾아올 때

캐시 히트 시 해당 데이터를 제어장치를 거쳐 가져오게 되는데, 위치가 가깝고, CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기 때문에 빠름
캐시 미스 시 주메모리에서 데이터를 가져오게 되는데, 시스템 버스를 기반으로 작동하기 때문에 느림

 

캐시 매핑
캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법.

 

직접 매핑, Directed Mapping: 처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦음
연관 매핑, Associative Mapping: 순서를 일치시키지 않고, 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느림
집합 연관 매핑, Set Associative Mapping: 직접 매핑과 연관 매핑을 합친 것. 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적

 

웹 브라우저의 캐시
소프트웨어적인 대표적인 캐시는 웹 브라우저의 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 있음. 보통 사용자의 커스텀 정보 혹은 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청 시 자신을 식별하기 위한 정보 혹은 중복 요청 방지를 위해 사용

 

쿠키
만료기한이 있는 키-값 저장소. same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송됨. 4KB의 저장 공간과 만료기한 지정 가능

 

로컬 스토리지
만료 기한이 없는 키-값 저장소. 10MB의 저장 공간과 브라우저를 닫아도 유지됨. 도메인 단위로 저장 및 생성

 

세션 스토리지
만료 기한이 없는 키-값 저장소. 5MB의 저장 공간을 가지며 탭 단위로 세션 스토리지가 생성됨. 탭을 닫을 시 삭제

 

메모리 관리

가상 메모리, Virtual Memory
컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 기법

이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address), 실제 메모리 상에 있는 주소를 실제 주소(physical address)라고 함. 가상 주소는 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환되어 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램 구축 가능
가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고, 프로세스의 주소 정보가 들어있는 페이지 테이블로 관리되며 속도 향상을 위해 TLB 사용

 

TLB
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시. 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며, CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시키는 캐시 계층

 

스와핑, Swapping
만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트 발생
이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고, 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라고 함

 

페이지 폴트, Page Fault
프로세스의 주소 공간에는 존재하지만, RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생

 

페이지 폴트와 그로 인한 스와핑 과정
1: CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해 운영체제에 알림
2: 운영체제는 CPU의 동작을 일시 정지
3: 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 확인. 물리 메모리에도 존재하지 않는다면 스와핑 발동
4: 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화
5: 중단되었던 CPU 다시 시작

 

페이지, Page
가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

프레임, Frame
실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

 

스레싱, Thrashing

메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미. 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 빈번하게 일어나 발생하는 것
페이지 폴트가 발생하면 CPU 이용률이 낮아진다. CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 CPU 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를 메모리에 올린다. 이와 같은 악순환이 반복되며 스레싱이 발생

 

해결법
메모리 증가, HDD를 SDD로 교체, 작업세트와 PFF

 

작업 세트, Working Set
프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것. 미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고, 스와핑 또한 줄일 수 있음

 

PFF, Page Fault Frequency
페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법. 상한선과 하한선을 만드는 방법으로, 만약 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 것

 

메모리 할당

프로그램을 메모리에 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당

 

연속 할당
메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것. 고정 분할 방식과 가변 분할 방식으로 나뉨

 

고정 분할 방식, Fixed Partition Allocation
메모리를 미리 나누어 관리하는 방식. 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없고, 내부 단편화가 발생

 

가변 분할 방식, Variable Partition Allocation
매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나누어 사용하는 방식. 최초 적합, 최적 적합, 최약 적합이 있으며 내부 단편화는 발생하지 않지만 외부 단편화가 발생할 수 있음

최초 적합, First Fit: 위쪽이나 아래쪽부터 시작하여 홀을 찾으면 할당
최적 적합, Best Fit: 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀에 할당
최약 적합, Worst Fit: 프로세스의 크기와 가장 많은 차이가 나는 홀에 할당

 

내부 단편화, Internal Fragmentation
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

 

외부 단편화, External Fragmentation
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상

 

홀, Hole
할당할 수 있는 비어있는 메모리 공간

 

불연속 할당
현대 운영체제가 쓰는 방법인 페이징 기법. 메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고, 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당

 

페이징, Paging
동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡

 

세그멘테이션, Segmentation
페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식. 프로세스를 이루는 메모리는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 이루어지는데, 코드와 데이터로 나누거나 코드 내의 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나눌 수도 있음
공유와 보안 측면에서 장점, 홀 크기가 균일하지 않은 단점

 

페이지드 세그멘테이션, Paged Segmentation
프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유나 보안 측면에 장점을 두고, 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 것

 

페이지 교체 알고리즘

메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 발생. 스와핑은 많이 발생하지 않도록 설계되어야 하며, 스와핑은 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 발생

 

오프라인 알고리즘, Offline Algorithm
먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘이며 가장 좋은 방법
미래에 사용되는 프로세스를 알수 없기에 사용할 수 없는 알고리즘이지만 가장 좋은 알고리즘이기 때문에 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 상한기준을 제공

 

FIFO, First In First Out
가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법

 

LRU, Least Recently Used
참조가 가장 오래된 페이지를 교체. 오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야하는 단점
보통 해시 테이블과 이중 연결 리스트 두 개의 자료 구조로 구현. 해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고, 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타냄

 

NUR, Not Used Recently
LRU에서 발전한 알고리즘.
clock 알고리즘이라고도 하며 0과 1을 가진 비트를 둔다. 1은 최근 참조, 0은 참조되지 않음을 의미하며, 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘

 

LFU, Least, Frequently Used
가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체

 

프로세스와 스레드

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행

 

프로세스, Process
컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램. CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업

 

스레드, Thread
프로세스 내 작업의 흐름

 

컴파일 과정

전처리
소스 코드의 주석을 제거하고 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환

 

컴파일러
오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

 

어셈블러
어셈블리어는 목적 코드(object code)로 변환. 이 때 확장자는 운영체제마다 다름

 

링커
프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일 생성. 실행 파일은 .exe 혹은 .out 확장자

 

정적 라이브러리
프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 쓰는 방법
시스템 환경 등 외부 의존도가 낮은 장점과 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점

 

동적 라이브러리
프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법
메모리 효율성에서 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점

 

프로세스의 상태

생성 상태, create
프로세스가 생성된 상태. fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성하며 이 때 PCB가 할당됨

 

fork()
부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
주소 공간만 복사할 뿐 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않음

 

exec()
새롭게 프로세스를 생성하는 함수

 

대기 상태, ready
메모리 공간이 충분하면 메모리를 항당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있음
CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태

 

대기 중단 상태, ready suspended
메모리 부족으로 일시 중단된 상태

 

실행 상태, running
CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미. CPU burst가 일어났다고도 표현

 

중단 상태, blocked
어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태. I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 함

 

일시 중단 상태, blocked suspended
대기 중단과 유사. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만, 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

 

종료 상태, terminated
메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
자연스럽게 종료되는 것도 있지만, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 죵료되는 것도 있음. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process, kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생

 

프로세스의 메모리 구조

스택(stack), 힙(heap), 데이터 영역(BSS segment, Data segment), 코드 영역(code segment)으로 나눠짐

 

스택은 위 주소부터 할당되고, 힙은 아래 주소부터 할당됨
스택과 힙은 동적 할당 되고, 데이터 영역과 코드 영역은 정적 할당 됨

 

동적 할당
런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것

 

정적 할당
컴파일 단계에서 메모리를 할당받는 것

 

스택
지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역. 함수가 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장됨
재귀 함수가 호출된다고 했을 때, 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않음

 

힙
동적으로 할당되는 변수들을 저장. malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있으며, 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우 힙 영역을 사용

 

BSS segment
전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당됨

 

Data segment
전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당됨

 

Code segment
프로그램의 코드가 들어감

 

PCB, Process Control Block

운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말하며 프로세스 제어 블록이라고도 함. 프로세스가 생성괴면 운영체제는 해당 PCB를 생성
프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당됨. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리됨
프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에, 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리

 

메타데이터
데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터. 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터

 

PCB의 구조
프로세스 스케줄링 상태: 준비, 일시 중단 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태

 

프로세스 ID: 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
CPU 레지스터: 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
계정 정보: 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

 

컨텍스트 스위칭, Context Switching
PCB를 교환하는 과정. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나, 인터럽트에 의해 발생

 

컨텍스트 스위칭 과정
프로세스 A가 실행하다 멈추고, A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행. 그리고 다시 B의 PCB를 저장하고 A의 PCB를 로드
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 유후 시간이 발생하며, 캐시미스라는 컨텍스트 스위칭 비용이 발생

 

캐시미스
컨텍스트 스위칭이 발생할 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시 클리어 과정일 겪게 되고, 이 때문에 캐시미스가 발생

 

스레드에서의 컨텍스트 스위칭
컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 발생. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에, 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸림

 

멀티프로세싱

여러 개의 프로세스, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며, 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생하더라도 다른 프로세스를 이용해 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높음

 

웹 브라우저
웹 브라우저의 멀티프로세스 구조

 

브라우저 프로세스: 네트워크 요청, 파일 접근 같은 권한 담당
렌더러 프로세스: 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어
플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인 제어
GPU 프로세스: GPU를 이용해 화면을 그리는 부분 제어

 

IPC, Inter Process, Communication
멀티프로세스는 IPC가 가능. IPC란 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘. 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이트, 명명 파이프, 메시지 큐가 있으며 모든 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐

 

공유 메모리, Shared Memory
여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것

기본적으로 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만, 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있음. IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르고, 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요

 

파일
디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터

 

소켓
동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미. TCP와 UDP가 있음

 

익명 파이프, Unnamed pipe
프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식. 부모, 자식 프로세스 간에서만 사용할 수 있음

 

명명 파이프, Named Pipe
파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 혹은 양방향 파이프
클라이언트, 서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있음. 컴퓨터의 프로세스끼리 혹은 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신 가능

보통 서버용 파이프와 클라이언트용 파이프로 구분해서 작동하며 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신

 

메시지 큐
메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것. 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 젼역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단
다른 코드의 수정 없이 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할수 있는 장점. 공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이 대안으로 메시지 큐를 사용

 

스레드와 멀티스레딩

스레드
프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위. 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 공유하며 그 외 영역은 각 스레드마다 생성

 

멀티스레딩
프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법. 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음
한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있기 때문에, 중단되지 않은 빠른 처리가 가능. 동시성에도 큰 장점
한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점

 

동시성
서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고, 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것

 

공유 자원과 임계 영역

공유 자원, Shared Resource
시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)라고 함

 

임계 영역, Critical Section
둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역
해결하기 위한 방법으로 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터가 있음. 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족. 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)

 

상호 배제
한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다

 

한정 대기
특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다

 

융통성
한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안된다

 

뮤텍스, Mutex
프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고, 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체
잠금이 설정되면 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고, 해제는 그의 반대. 또한 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제 상태만을 가짐

 

세마포어, Semaphore
일반화된 뮤텍스. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수) 및 signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리
wait()은 자신의 차례가 올 때 까지 기다리는 함수, signal()은 다름 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수

프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고, 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 signal() 작업을 수행. 세마포어에는 조건 변수가 없고, 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없음

 

바이너리 세마포어
0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어. 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 잠금 메커니즘, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 신호 메커니즘

 

카운팅 세마포어
여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어. 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용

 

모니터
둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공. 모니터 큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리
모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이 존재

 

교착 상태, Deadlock

두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

 

원인
상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며, 다른 프로세스들은 접근이 불가
점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
환형 대기: 프로세스가 서로의 자원을 요구하는 상황

 

해결 방법
1: 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
2: 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악(은행원 알고리즘)
3: 교착 상태가 발생하면, 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관한 프로세스를 하나씩 지움
4: 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 예방하는 것보다 처리하는 비용이 더 큼. 따라서, 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료하게 함

 

은행원 알고리즘
총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고, 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘

 

CPU 스케줄링 알고리즘

CPU 스케줄러는 CPU 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스에서 해야 하는 일을 스레드 단위로 CPU에 할당
프로그램이 실행될 때, CPU 스케줄링 알고리즘이 어떤 프로그램에 CPU 소유권을 줄 것인지 결정

 

CPU 스케줄링 목표
1: CPU 이용률 높임
2: 주어진 시간에 더 많은 일 수행
3: 준비 큐에 있는 프로세스 적게
4: 응답 시간은 짧게

 

비선점형 방식, Non Preemptive

프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식. 강제로 프로세스를 중지하지 않으며, 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적음

 

FCFS, First Come First Served
가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘. 길게 수행되는 프로세스 때문에 준비 큐에서 오래 기다리는 현상(convoy effect)이 발생하는 단점

 

SJF, Shorted Job First
실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘. 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상(starvation)이 일어나며 평균 대기 시간이 가장 짧음
하지만 실제로는 실행 시간을 알 수 없기 때문에, 과거의 실행했던 시간을 토대로 추측해서 사용

 

우선순위
기존 SJF 스케줄링의 경우 starvation이 있음. 우선순위는 오래된 작업일수록 우선순위를 높이는 방법(aging)을 통해 단점을 보완한 알고리즘

 

선점형 방식, Preemptive

현대 운영체제가 쓰는 방식. 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식

 

라운드 로빈, RR, Round Robin
현대 컴퓨터가 쓰는 스케줄링인 우선순위 스케줄링의 일종. 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 가는 알고리즘
할당 시간이 너무 크면 FCFS가 되고, 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아져 오버헤드가 커짐
일반적으로 전체 작업 시간은 길어지지만 평균 응답 시간은 짧아진다는 특징. 로드밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로 사용

 

SRF, Shortest Remaining Time First
SJF는 중간에 실행 시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그 다음 짧은 작업을 이어감. SRF는 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고, 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘

 

다단계 큐
우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것
큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케줄링 부담이 적지만, 유연성이 떨어지는 것이 특징