Computer Science Knowledge Storage

하나의 프로세스에 대해 멀티 프로세스나 멀티 스레드 기법을 도입할 수 있고 각 메모리를 공유하는 멀티 스레드와 같은 경우에는 동기화가 중요한 포인트입니다.

공유되는 데이터의 일관성을 보장하기 위해 lock이나 세마포어 등을 사용합니다.

lock은 하드웨어 기반 해결책으로 동시에 공유하는 자원의 접근을 막기 위해 critical section에 진입하는 프로세스가 있을 시 lock을 걸고 다른 프로세스의 접근을 막는 방법입니다.

세마포어는 세마포어 변수를 통해 lock이 걸렸는지 아닌지 확인할 수 있습니다. 

컨택스트 스위칭은 하나의 task가 끝날때까지 기다리지 않고 동시에 여러 task를 번갈아가며 실행하는 방법입니다.

인터럽트가 발생하면 현재 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고 새로운 프로세스의 상태를 레지스터에 저장하여 잦은 컨텍스트 스위칭은 성능 저하를 야기합니다.

메모리 관리 전략은 페이징과 세그멘테이션이 존재합니다.

페이징은 프로세스를 일정 크기인 페이지로 잘라서 메모리에 적재하는 방식을 의미합니다. 하지만 이는 내부 단편화와 외부 단편화가 발생할 수 있습니다. 

세그멘테이션은 프로세스를 논리적 내용 단위인 세그먼트로 잘라 메모리에 적재하는 방법을 의미합니다. 이는 세그먼트 테이블을 통해 연속된 메모리 공간에 위치하도록 보이는 기법입니다. 하지만 이도 단점이 있는데 외부 단편화가 발생할 수 있습니다.

가상 메모리는 운영체제가 물리적 메모리와 독립된 가상 주소 공간을 프로세스에 제공하는 기술입니다. 이를 통해 프로그램은 실제 물리적 메모리 크기에 구애받지 않고 실행될 수 있습니다.

운영체제는 프로세스마다 별도의 가상 메모리를 제공하며, 이를 물리적 메모리와 매핑하여 관리합니다. 가상 주소를 물리적 주소로 변환하는 작업은 MMU(Memory Management Unit)라는 하드웨어 장치가 담당합니다.

이를 통해 각 프로세스는 실제 물리적 메모리의 제약 없이 동작하며, 물리적 메모리와 가상 메모리는 페이징(Paging) 기법을 통해 매핑됩니다.

요구 페이징은 가상 메모리에서 핵심적인 개념 중 하나입니다. 요구 페이징은 프로그램 실행 시 필요한 페이지만 메모리에 적재하는 방식으로, 처음부터 모든 페이지를 메모리에 올리지 않습니다.

캐시 지역성은 프로그램이 메모리에 접근하는 패턴에서 시간적 또는 공간적으로 반복적으로 사용되는 경향을 의미합니다. 이 특성을 사용하면 프로그램의 성능을 크게 향상시킬 수 잇습니다.

시간 지역성은 최근에 접근한 데이터는 다시 참조할 가능성이 높은 것을 의미합니다.

공간 지역성은 메모리 접근이 특정 주소 주변의 데이터에 집중되는 경향을 의미합니다.

프로세스는 메모리에 올라와 실행되는 프로그램을 의미합니다. 이는 독립적인 메모리 공간을 할당하여 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위를 의미합니다. 각 프로세스들은 서로 통신을 하기 위해 공유 메모리, 메시지 큐 등을 이용합니다.

스레드는 프로세스의 작업단위를 의미합니다. 프로세스와 다르게 메모리를 공유하며 작동합니다.

스케줄러의 종류에는 세가지가 있습니다.

첫번째 장기 스케줄러는 수행해야 하는 작업 중 어느 것을 선택할 지 결정하는 스케줄러입니다. 프로세스 흐름 상 Ready Queue에 적재하는 스케줄러입니다.

두번째 단기 스케줄러는 CPU가 차지할 프로세스를 선별하는 작업을 합니다. CPU는 실행 흐름에서 하나의 작업만 수행할 수 있기에 어느 프로세스를 실행시킬지 단기 스케줄러가 할당합니다. 예를 들어 IO 작업을 하는 프로세스가 있을 때는 실행하는 프로세스를 교체하는 역할을 합니다.

마지막으로 중기 스케줄러는 요즘 운영체제에는 존재하지 않지만 우선순위가 낮은 프로세스를 교체하는 역할을 합니다. 이는 메모리를 효율적을 관리할 수 있게 도와줍니다.

CPU는 프로세스 작업을 수행하기에 어느 프로세스를 선택할 지 판단하는 CPU 스케줄링 알고리즘이 존재합니다.

해당 알고리즘은 선점형과 비선점형으로 나뉘며

선점형에는 Round-Robin, SRC, 다단계 큐가 있으며

비선점형에는 FCFS, SJF, 우선순위가 있습니다.

선점형 

라운드 로빈

• Round Robin은 현대 컴퓨터가 쓰는 선점형 알고리즘 스케줄링 방법으로 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐에 넣는 알고리즘
• 할당 시간이 너무 크면 FCFS가 되고 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아져 비용이 증가.
• 로드 밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 사용됨.

SRF

• 실행 시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그 다음 짧은 작업을 이어감.

다단계 큐

• 우선 순위에 따른 준비 큐를 여러개 사용하고 큐마다 라운드로빈이나 FCFS등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 방법.
• 큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어짐.

비선점형

FCFS

• First Come, First Served는 가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
• 길게 수행되는 프로세스 때문에 준비 큐에서 오래 기다리는 현상(convoy effect)가 발생.

SJF(Shortest 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
• 실제로 실행 시간을 알 수 없음.

우선순위

• SJF 스케줄링의 경우 starvation이 발생.
• 오래된 작업일 수록 우선순위를 높이는 방법을 사용하여 보완.

동기와 비동기의 차이에는 시간과 연관이 있습니다.

동기는 요청과 그 결과가 동시에 이루어지는 것이고,요청한 자리에서 결과를 계속해서 기다립니다. 설계과 직관적이고 간단하지만 다른 프로그램이 해당 결과를 기다리기 위해 정지하고 있어야하며 시스템의 효율이 저하될 수 있습니다.

비동기는 요청과 결과가 동시에 이루어지지 않습니다. 설계가 복잡하지만 그 시간동안 다른 일을 처리할 수 있으므로 자원을 효율적으로 사용할 수 있게 됩니다.

blocking과 non-blocking은 제어권이 어디에 있느냐가 관점입니다.
작업을 시킨 주체에게 제어권이 있는지 혹은 작업을 처리하는 주체에게 제어권이 있는지에 대한 것입니다.

blocking은 직접 제어할 수 없는 대상의 작업이 끝날때까지 기다려야하는 경우를 의미하고

non-blocking은 직접 제어할 수 없는 대상의 작업이 완료되기 전에 제어권을 넘겨준 경우를 의미합니다.

멀티 프로세스 하나의 프로그램을 여러 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하는 것을 의미합니다. 

장점으로는 하나의 프로세스에 오류가 발생하여도 프로그램은 동작하지만 단점은 Context-Switch 비용이 발생하고 통신 기법을 사용해야합니다. 

멀티 쓰레드는 프로그램을 여러개의 스레드로 구성하여 각 스레드가 task를 처리하는 것을 의미합니다.

장점으로는 스레드 간 데이터를 공유하므로 Context-Switch가 멀티 프로세스에 비해 빠르며 응답시간이 단축됩니다. 단점으로는 동일한 메모리를 관리하기에 동기화 이슈가 발생합니다. 

운영체제는
1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
2. 메모리관리
3. 디스크 파일 관리

4. IO 디바이스 관리

가 있습니다.

1은 CPU 소유권과 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리합니다.

2는 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야하는지 관리합니다.

3은 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리합니다.

4는 IO 디바이스들을 관리합니다. 

PCB(Process Control Block)은 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 의미합니다.
프로세스가 생성되면 운영체제는 프로세스마다 PCB를 할당합니다.

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리를 할당하고 메타데이터를 관리합니다. PCB는 프로세스의 가장 중요한 부분이기에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 앞부분에 관리됩니다.

메모리 계층에는 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있습니다. 먼저 말한 순서대로 기억용량이 작은 반면 접근 속도가 빠릅니다. 반대로 저장장치 쪽으로는 기억용량이 크고 접근 속도가 느립니다. 저장장치에서 보조기억장치를 제외한 모든 메모리는 휘발성입니다.

운영체제와 컴퓨터

운영체제의 역할과 구조

운영체제의 역할

1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
   CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
2. 메모리관리
   한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야하는지 관리
3. 디스크 파일
   관리 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
4. IO 디바이스 관리
   IO 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리.

운영체제의 구조

• 유저 프로그램 밑에 인터페이스(GUI, CUI)가 있고 시스템 콜 , 커널, 드라이버가 있으며 가장 하단에는 하드웨어가 있는 구조.
• GUI, 시스템 콜, 커널, 드라이버 부분이 운영체제

💡 커널
운영체제의 핵심부분. 시스템 콜 인터페이스를 제공하고, 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, IO 디바이스 요청 관리 등의 역할을 제공.

시스템 콜

• 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스.
• 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 쓰임
• 유저 프로그램이 IO 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 IO 요청인지 확인 후 유저모드에서 커널모드로 변환되어 실행됨.
  • 컴퓨터 자원에 대한 직접 접근을 차단하고 다른 시스템으로부터 보호할 수 있기에 해당 사이클로 관리.

mode bit

• 시스템 콜이 작동할 때 mode bit을 참고하여 유저모드와 커널모드를 구분.

컴퓨터의 요소

CPU + DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져있음.

CPU

• 산술 논리 연산 장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치.
• 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행.
• 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 CPU가 이를 처리

제어장치

• 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품.
• 입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어를 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서 결정

레지스터

• CPU 안에 있는 매우 빠른 임시 기억 장치.
• CPU와 직접 연결되어 있어 연산속도가 메모리보다 매우 빠름.
• 적은양의 데이터를 저장. CPU에게 데이터 제공

산술 논리 장치

• ALU라고 불리며, 덧셈, 뺄셈과 같은 산술 연산과 배타적 논리함, 논리 곱과 같은 논리 연산 처리 회로

CPU 연산처리

1. 제어 장치가 메모리 및 레지스터에 계산할 값을 로드.
2. 제어 장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술 논리 연산 장치에 명령.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 값을 저장.

💡 인터럽트
어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 의미. 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생합니다.

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행됨. 인터럽트 간에는 우선순위가 존재하고 우선순위에 따라 실행되고 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트가 존재

인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수. 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 인터럽트 핸들러 함수를 등록 가능.

하드웨어 인터럽트
키보드 연결 및 마우스 연결 등 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트

소프트웨어 인터럽트
트랩. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템 콜을 호출할 때 발동.

DMA 컨트롤러

• IO 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치.
• CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 줄여줌.

메모리

• 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치.
• RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리.
• 메모리가 크면 많은 일을 동시에 할 수 있음

타이머

• 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간을 제한을 다는 역할.

디바이스 컨트롤러

• 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 의미.
• 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리.

메모리

CPU는 메모리에 올라와있는 프로그램의 명령을 실행할 뿐.

메모리 계층

메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성

                                                                                     용량 업 →
레지스터 → 캐시 → 메모리(주기억장치) → 저장장치(보조기억장치)
← 속도 업

• 레지스터 CPU 안에 있는 작은 메모리. 휘발성, 속도 가장 빠름, 용량이 제일 작음
• 캐시 L1, L2 캐시. 휘발성, 속도 빠름, 용량 작음. L3 캐시도 존재
• 주 기억장치 RAM. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량 보통
• 보조 기억 장치 HDD, SDD. 비 휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 많음.

램은 하드 디스크로부터 데이터를 복사하여 임시 저장하고 CPU로 전달하는 역할.

로딩중 → RAM으로 전송하는 과정이 끝나지 않음을 의미.

캐시

• 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소.
• 병목 현상을 줄이기 위한 메모리.
• 데이터 로딩 시간을 줄이고 계산하는 시간을 절약
• 캐시 직접 설정 ⇒ 지역성의 원리
  • 시간 지역성
    • 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성.
  • 공간 지역성
    • 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 가까운 공간에 접근하는 특성.

캐시 히트와 캐시 미스

• 캐시히트
  • 캐시에서 원하는 값을 찾음
  • CPU 내부 버스를 기반으로 작동하기에 빠름
• 캐시 미스
  • 캐시에서 원하는 값이 없어 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것.
  • 시스템 버스를 기반으로 작동하기에 느림

캐시 매핑

웹 브라우저의 캐시

소프트웨어의 대표적 캐시는 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지가 존재.

• 쿠키
  • 만료기한이 있는 키-값 저장소.
  • 보안을 위해 만료 기한을 걸고 httponly 옵션을 거는 것이 중요.
• 로컬 스토리지
  • 만료 기한이 없는 키-값 저장소.
  • HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없음.
  • 클라이언트에서만 수정 가능
• 세션 스토리지
  • 만료 기한이 없는 키-값 저장소.
  • 탭 단위로 데이터 유지.
  • HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없음.
  • 클라이언트에서만 수정 가능

데이터베이스의 캐싱 계층

• 데이터베이스 시스템을 구축할 때에도 메인 데이터베이스 위에 레디스 데이터베이스 계층을 두어 성능을 향상 시킴 ⇒ 캐싱 계층

메모리 관리

가상 메모리

• 메모리 관리 기법 중 하나.
• 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 큰 메모리로 보이도록 만드는 기법
• logical address: 가상주소
  • 메모리 관리 장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환
• physical address: 실제 주소
• 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 페이지 테이블로 관리.
• 속도 향상을 위해 TLB 사용

💡 TLB
메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환 캐시.
페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블로 가지 않도록 해 속도를 향상 시킬 수 있는 캐시 계층.

스와핑

• 가상 메모리에는 존재하지만 실제 RAM에는 현재 없는 데이터에 접근할 경우 페이지 폴트 발생.
• 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드 디스크로 옮기고 하드 디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라고 함. ⇒ 이를 통해 페이지 폴트가 안생기는 것처럼 보이게 할 수 있음.

페이지 폴트

• 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 RAM에 없는 데이터에 접근했을 때 발생.

1. 어떤 명령어가 유효한 가상 주소에 접근했으나 페이지가 없다면 트랩이 발생되어 운영체제에게 알람
2. 운영체제는 실제 디스크로부터 사용되지 않는 프레임을 찾음
3. 해당 프레임을 실제 메모리에 가져와서 페이지 교체 알고리즘을 기반으로 스와핑
4. 페이지 테이블을 갱신시킨 후 해당 명령어를 다시 시작.

💡페이지
가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

프레임
실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

스레싱

• 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미. 심각한 성능 저하.
• 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 발생하는 것이 원인.
• 페이지 폴트 → CPU 이용률이 낮아짐. ⇒ 운영체제는 프로세스를 더 올림 ⇒ 악순환
• 해결하기 위한 방법
  • 작업 세트
    • 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것.
    • 탐색 비용 및 스와핑 비용 줄임
  • PFF(Page Falut Frequency)
    • 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법
    • 상한선에 도달하면 프레임을 늘리고 하한선에 도달하면 프레임을 줄이는 것.

메모리 할당

• 시작 메모리 위치, 메모리 할당 크기를 기반으로 할당하는데 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉨.

연속할당

• 연속적으로 메모리에 공간을 할당하는 것
  • 고정 분할 방식
    • 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식
    • 내부 단편화가 발생
  • 가변 분할 방식
    • 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용
    • 내부 단편화는 발생하지 않지만 외부 단편화가 발생
    • 최초 적합, 최적 적합, 최악 적합.

💡 내부 단편화
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 발생하는 현상
(메모리에 남은 공간이 있지만 메모리 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 여유 공간이 발생하는 현상)

외부 단편화
메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 커서 들어가지 못하는 현상.

불연속할당

• 현대 운영체제가 쓰이는 방법
• 페이징 기법: 메모리를 동일한 페이지(4KB)로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 메모리에 프로그램을 할당하는 방식
• 페이징
  • 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당
  • 주소 변환이 복잡
• 세그멘테이션
  • 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식
  • 코드 영역, 데이터 영역, 스택, 힙 영역에서 코드 + 데이터 등을 세그먼트로 놓고 나눌 수 있음
  • 공유와 보안 측면에서 장점이지만 홀 크기가 균일하지 않음
• 페이지드 세그멘테이션
  • 의미 단위인 세그먼트로 나누어 동일한 크기의 페이지를 나누는 것.

페이지 교체 알고리즘

• 오프라인 알고리즘
  • 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당되는 페이지를 바꾸는 알고리즘
  • 미래에 참조되는 페이지 알 수 없음.
• FIFO
  • 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법
• LRU(Leat Recently Used)
  • 참조가 가장 오래된 페이지를 교체.
  • 오래 된 것을 파악하기 위해 스택을 두어야 함.
  • 해시와 이중 연결 리스트 구현.
• NRU(Not Used Recently)
  • 0과 1을 가진 비트를 두어 최근에 참조된 것은 1, 0은 참조 되지 않음을 의미.
  • 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
  • 많이 사용되지 않은 것을 교체.

프로세스와 스레드

프로세스: 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램. CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업.

스레드: 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭.

프로그램이 메모리에 올라가면 프로그램의 인스턴스화 = 프로세스 운영체제에 의해 CPU 스케줄러를 통해 CPU가 프로세스를 실행.

프로세스와 컴파일 과정

프로세스 ⇒ 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화 된 것을 의미.

컴파일 과정

1. 소스 코드 작성
2. 전처리
   1. 소스코드의 주석을 제거하고 #include등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환.
3. 컴파일러
   1. 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환.
4. 어셈블리어
   1. 어셈블리어는 목적 코드로 변환. 확장자는 운영체제마다 다르지만 리눅스에서는 .o
5. 어셈블러
6. 목적 코드
7. 라이브러리 + 목적코드 ⇒ 링커
   1. 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듦.
      .exe 또는 .out 확장자
8. 실행파일

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

• 정적 라이브러리
  • 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
  • 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮은 장점이 있지만 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점.
• 동적 라이브러리
  • 프로그램 실행 시 필요할 때만 DDL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법.
  • 메모리 효율성에서의 장점을 지니지만 외부 의존도가 높아진다는 단점.

프로세스의 상태

생성 상태

• 프로세스가 생성된 상태를 의미. fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성. 이때 PCB가 할당.

💡fork()

부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수. 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않음.

exec()

새롭게 프로세스를 생성하는 함수.

대기 상태

• 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며
  CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태.

대기 중단 상태

• 메모리 부족으로 일시 중단된 상태.

실행 상태

• CPU 소유권과 메로리를 항당받고 인스트럭션을 수행중인 상태를 의미.
• CPU burst가 일어났다고 표현.

중단 상태

• 어떤 이벤트가 발생한 이후, 기다리며 프로세스가 차단된 상태.
• IO 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 함.

일시 중단 상태

• 대기 중단과 유사.
• 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

종료 상태

• 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태.
• 자연스러운 종료 + 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 시키는 비 자발적 종료(abort), process kill 등이 존재

프로세스의 메모리 구조

동적 영역: 스택 + 힙

정적 영역: 데이터 영역 + 코드 영역

스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당

스택과 힙

• 런타임 단계(동적)에서 메모리를 할당 받는 동적할당
• 스택
  • 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역.
  • 함수가 호출 될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장.
  • 재귀 함수가 호출된다고 하였을때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않음.
• 힙
  • 동적으로 할당되는 변수를 담음.
  • malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있으며 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 힙 영역에 저장.

데이터 영역과 코드 영역

• 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 정적 영역.
• 데이터 영역
  • BSS segment
    • 전역 변수 또는 static, const로 선언되어있고 0으로 초기화 또는 초기화되어 있지 않은 변수들 저장
  • Data segment
    • 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화 된 변수가 저장.
• code/text segment
  • 프로그램의 코드

PCB

• Process Control Block: 운영체제에서 프로세스에 대한 메타 데이터를 저장한 데이터. 프로세스 제어 블록
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB 생성.
• 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등 구조를 기반으로 메모리 할당.
• 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리.

💡 메타 데이터
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

PCB 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 IO 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터
  • 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
• CPU 레지스터
  • 프로세스를 실행하기 위해 저장해야할 레지스터 정보
• CPU 스케줄링 정보
  • CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
• 계정 정보
  • 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• IO 상태 정보
  • 프로세스에 할당된 IO 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭

• PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정.
• 하나의 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생하여 컨텍스트 스위칭이 아주 빠르게 진행.
• 스레드에서의 컨텍스트 스위칭
  • 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 작고 시간이 더 적게 걸림.

멀티 프로세싱

여러개의 프로세스, 멀티 프로세스를 통해 동시에 두가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것.

• 신뢰성이 높은 강점.

IPC

• 멀티 프로세스는 IPC(Inter ProcessCommunication)가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻함.
• 클라이언트와 서버에서 믈라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트의 응답하는 것이 IPC의 예.
• 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐 등이 있음. 스레드 보다 속도가 떨어짐.
• 공유 메모리
  • 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 방식
  • 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있음.
  • 메모리를 공유하는 것이 아니기 때문에 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르지만 각 프로세스에 대해 동기화가 필요함. ⇒ RAM을 이용
• 파일
  • 디스크에 저장된 데이터나 파일 서버에서 제공하는 데이터.
• 소켓
  • 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터.
  • TCP와 UDP가 존재
• 익명 파이프
  • 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이를 만들어서 작동하는 방식.
  • 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있음.
• 명명 파이프
  • 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위해 단방향, 양방향 파이프
  • 여러 경우에서 사용 가능.
• 메시지 큐
  • 메시지를 큐에 관리하여 커널의 전역 변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하고 코드의 수정 없이 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있다는 장점.

스레드와 멀티 스레딩

스레드: 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위. 프로세스는 여러개의 스레드를 가질 수 있음.

코드, 데이터, 스택, 힙을 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유.

멀티 스레딩

• 프로세스 내 작업을 여러개의 스레드, 멀티 스레드로 처리하는 기법.
• 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음. ⇒ 빠른 처리 가능
• 동시성에도 큰 장점.
• 스레드끼리 영향을 줄 수 있어 프로세스에 영향을 줄 수 있음

공유자원과 임계 영역

공유자원

• 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함꼐 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미.
• 공유 자원을 두개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태.
• 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태.

임계 영역

• 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역.
• 뮤텍스 세마포어, 모니터 등을 통해 해결 가능.
• 해당 방법은 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족 ⇒ lock을 통해 구현

💡

상호 배제(mutual exclusion)

한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.

한정대기(bounded waiting)

특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다.

융통성(progress)

만약 어떠한 프로세스도 임계 영역을 사용하지 않는다면 어떠한 프로세스가 들어갈 때 프로세스끼리 방해하지 않는다.

뮤텍스

• 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체.
• 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대.
• 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가르킴.

세마포어

• 일반화된 뮤텍스
• 간단한 정수 값과 두가지 함수 wait, signal을 통해 공유 자원에 대한 접근을 처리
• wait: 자신의 차례가 올때까지 기다리는 함수 signal: 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
• 바이너리 세마포어
  • 0과 1의 두가지 값만을 가질 수 있는 세마포어.
  • 뮤텍스와 동일하지만 뮤텍스는 잠금 메커니즘이고 세마포어는 신호 메커니즘
• 카운팅 세마포어
  • 여러개의 값을 가질 수 있는 세마포어
  • 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 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.

교착 상태

deadlock: 두개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

원인

• 상호배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능.
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
• 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
2. 은행원 알고리즘 사용
3. 사이클이 존재하는지 파악하고 지움.

CPU 스케줄링 알고리즘

CPU 이용률은 높게, 많은 처리량, 응 답 시간을 짧게

비선점형 방식

프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식. 강제로 프로세스를 중지시키지 않음. 컨텍스트 스위칭의 부하가 적음

FCFS

• First Come, First Served는 가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
• 길게 수행되는 프로세스 때문에 준비 큐에서 오래 기다리는 현상(convoy effect)가 발생.

SJF(Shortest 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
• 실제로 실행 시간을 알 수 없음.

우선순위

• SJF 스케줄링의 경우 starvation이 발생.
• 오래된 작업일 수록 우선순위를 높이는 방법을 사용하여 보완.

선점형 방식

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

라운드 로빈

• Round Robin은 현대 컴퓨터가 쓰는 선점형 알고리즘 스케줄링 방법으로 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐에 넣는 알고리즘
• 할당 시간이 너무 크면 FCFS가 되고 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아져 비용이 증가.
• 로드 밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 사용됨.

SRF

• 실행 시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그 다음 짧은 작업을 이어감.

다단계 큐

• 우선 순위에 따른 준비 큐를 여러개 사용하고 큐마다 라운드로빈이나 FCFS등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 방법.
• 큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어짐.

• 면접을 위한 CS 전공지식 노트(주홍철 저) -길벗