운영체제

 

목차

1. 운영체제와 컴퓨터
2. 메모리
3. 프로세스와 스레드

3.1 운영체제와 컴퓨터

운영체제는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다룰 수 있게 해주는 인터페이스입니다. 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배해줍니다.

3.1.1 운영체제의 역할과 구조

컴퓨터는 하드웨어와 소프트웨어(유저 프로그램)를 관리하는 일꾼인 운영체제와 CPU, 메모리 등으로 이루어져 있습니다. 운영체제의 역할과 구조는 다음과 같습니다.

운영체제의 역할

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

운영체제의 구조

운영체제의 구조는 다음과 같습니다

 

 

1. GUI (Graphic User Interface)
   1. 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
2. 시스템 콜
   1. 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
   2. 유저 모드가 시스템 콜을 통해 커널 모드로 변환
3. 커널
   1. 운영체제의 핵심 부분으로 시스템 전체 를 관리하고 제어하는 역할을 한다
   2. 하드웨어와 직접 통신하며, 메모리에 상주하는 핵심 구성 요소로서 운영체제의 생명줄과 같은 역할을 한다
   3. 시스템 콜 인터페이스를 제공
   4. 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다
4. 드라이버
   1. 하드웨어를 조절하기 위한 소프트웨어

시스템 콜

시스템 콜이란 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 씁니다.

시스템 콜은 하나의 추상화 계층입니다. 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있습니다.

유저 모드: 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드

커널 모드: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드

3.1.2 컴퓨터의 요소

컴퓨터는 다음과 같은 구성으로 이루어져 있습니다.

1. CPU
2. DMA 컨트롤러 (Direct Memory Access)
3. 메모리 (일반적으로 RAM, Random Access Memeory)
4. 타이머
5. 디바이스 컨트롤러

CPU

CPU(Central Processing Unit)는 다음과 같은 구조로 구성되어 있는 컴퓨터 장치입니다. 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼입니다. 관리자인 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리합니다.

1. 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
   산술논리연산장치는 덧셈, 뺄섬과 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로입니다.
2. 제어장치
   제어장치 CU(Control Unit)는 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품입니다. 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정합니다.
3. 레지스터
   레지스터는 CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킵니다. CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠릅니다. CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달합니다.

CPU의 연산 처리

CPU에서 제어장치, 레지스터, 산술논리연산장치를 통해 연산하는 예는 다음과 같습니다.

1. 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드합니다. 또한, 레지스터에도 로드합니다.
2. 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령합니다.
3. 제어장치가 계산된 값을 다시 ‘레지스터에서 메모리로’ 계산한 값을 저장합니다.

인터럽트

인터럽트는 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말합니다. 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉩니다.

하드웨어 인터럽트

하드웨어 인터럽트는 키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말합니다.

소프트웨어 인터럽트

소프트웨어 인터럽트는 트랩(trap)이라고도 합니다. 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템을 호출할 때 발동합니다.

DMA 컨트롤러

DMA (Direct Memory Access) 컨트롤러는 I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치입니다. CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에 CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼이라고 보면 됩니다. 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지합니다.

메모리

메모리는 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말합니다. 보통은 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 합니다. CPU는 계산을 담당하고, 메모리는 기억을 담당합니다.

타이머

타이머는 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 합니다. 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재합니다.

디바이스 컨트롤러

디바이스 컨트롤러는 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말합니다.

3.2 메모리

3.2.1 메모리 계층

메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있습니다.

 

 

1. 레지스터
   • CPU 안에 있는 작은 메모리
   • 휘발성
   • 속도 가장 빠름
   • 기억 용량이 가장 적음
2. 캐시
   • L1, L2 캐시를 지칭
   • 휘발성
   • 속도 빠름
   • 기억 용량이 적음
3. 주기억장치
   • RAM을 가리킴
   • 휘발성
   • 속도 보통
   • 기억 용량 보통
4. 보조기억장치
   • HDD, SSD
   • 비휘발성
   • 속도 낮음
   • 기억 용량 많음

캐시

캐시(cache)는 데이터를 미리 복사해 놓은 임시 저장소이자 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리를 말합니다. 실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결합니다. 이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층을 캐싱 계층이라고 합니다.

3.2.2 메모리 관리

운영체제의 대표적인 할 일 중 하나가 메모리 관리입니다. 컴퓨터 내의 한정된 메모리를 극한으로 활용해야 합니다.

가상 메모리

가상 메모리(virtual memory)는 메모리 관리 기법의 하나로, 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것을 말합니다.

이때 가상적으로 주어진 주소를 가상 주소(logical address)라고 하며, 실제 메모리상에 있는 주소를 실제 주소(physical address)라고 합니다. 가상 주소는 메모리관리장치(MMU, Memory Management Unit)에 의해 실제 주소로 변환되며, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있습니다.

가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어있는 ‘페이지 테이블’로 관리됩니다.

스와핑

만약 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생합니다. 이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드 디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는 것을 스와핑이라고 합니다.

페이지 폴트

페이지 폴트(page fault)란 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생합니다.

페이지 폴트와 그로 인한 스와핑

1. CPU는 물리 메모리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩(소프트웨어의 인터럽트)를 발생하여 운영체제에 알립니다
2. 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춥니다
3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 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(page): 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

프레임(frame): 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위

스레싱

스레싱(thrashing)은 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래합니다.

메모리 할당

메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당하는데, 연속 할당과 불연속 할당으로 나뉩니다.

연속 할당

연속 할당은 메모리에 ‘연속적으로’ 공간을 할당하는 것을 말합니다.

불연속 할당

메모리를 연속적을 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 여러가지 불연속 할당 기법이 존재합니다.

3.3 프로세스와 스레드

프로세스

프로세스(process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말합니다. 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 사용됩니다. 데이터 영역, 코드 영역, 힙, 스택이 프로세스의 구조에 포함됩니다.

프로그램

프로그램(program)은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일을 의미합니다.

스레드

프로세스 내 작업의 흐름을 지칭합니다.

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고 운영체제의 CPU 스케쥴러에 따라 CPU가 프로세스를 실행합니다.

예를 들어 프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)과 같은 실행 파일이며, 이를 두 번 클릭하면 구글 크롬 ‘프로세스’가 시작되는 것입니다.

프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행할 수 있는 파일이 되는 것을 의미합니다.

 

전처리

소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환합니다.

컴파일러

오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환합니다.

어셈블러

어셈블리어는 목적 코드(object code)로 변환됩니다. 이때 확장자는 운영체제마다 다른데 리눅스에서는 .o입니다.

어셈블리어

저수준 프로그래밍 언어로, 기계어 코드와 1대1로 대응되는 기계와 가까운 언어입니다. 어셈블리어는 주로 운영체제 커널, 드라이버, 임베디드 시스템 등 빠른 실행 속도와 하드웨어 직접 제어가 필요한 곳에서 사용됩니다.

링커

프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듭니다. 실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out이라는 확장자를 갖습니다.

3.3.2 프로세스의 상태

프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 갖습니다.

생성 상태

생성 상태(create)는 프로세스가 생성된 상태를 의미합니다. PCB(Proces Content Block)가 할당됩니다.

대기 상태

대기 상태(ready)는 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태입니다.

대기 중단 상태

대기 중단 상태(ready suspended)는 메모리 부족으로 일시 중단된 상태입니다.

실행 상태

실행 상태(running)는 CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미합니다.

중단 상태

중단 상태(blocked)는 어떤 이벤트가 발생한 후 기다리며 프로세스가 차단된 상태입니다. I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 합니다.

일시 중단 상태

일시 중단 상태(blocked suspended)는 대기 중단과 유사합니다. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태입니다.

종료 상태

종료 상태(terminated)는 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말합니다. 종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 종료되는 것도 있습니다. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 proces.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생합니다.

3.3.3 프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당합니다.

 

스택

스택에는 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 ‘동적’인 특징을 갖습니다. 스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓습니다.

힙

힙은 동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정됩니다. 메모리 주소 값에 의해서만 참조되고 사용되는 영역입니다. 힙은 ‘동적’인 특징을 가집니다.

데이터 영역

데이터 영역은 전역변수, 정적변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역입니다.

데이터 영역은 BSS 영역과 Data 영역으로 나뉩니다

• BSS 영역: 초기화되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장
• Data 영역: 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장

코드 영역

코드 영역은 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드(실행할 프로그램 코드)가 들어가는 영역입니다. 이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 가집니다.

 

프로세스의 메모리 공간에서 각 구조가 넘치게 되면 어떻게 될까요?

 

프로세스의 메모리 공간에서 스택과 힙이 겹치게 되면 매우 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 스택과 힙은 각각 다른 용도로 사용되는 메모리 영역이기 때문입니다.

 

스택 오버플로우 스택 영역이 힙 영역을 침범하게 되면 스택에 할당된 메모리를 초과하여 데이터가 다른 메모리 영역을 침범하게 됩니다. 이로 인해 프로그램 실행이 중단되거나 예기치 않은 동작이 발생할 수 있습니다.

 

힙 오버플로우 반대로 힙 영역이 스택 영역을 침범하면 동적으로 할당된 메모리가 스택 영역을 침범하게 됩니다. 이 경우에도 스택에 저장된 중요한 정보가 손상될 수 있습니다.

메모리 손상 스택과 힙이 겹치면 한 영역의 데이터가 다른 영역을 덮어쓰게 되어 프로그램에 사용되는 데이터가 손상될 수 있습니다.

 

이러한 문제를 예방하기 위해 운영체제와 프로그래밍 언어는 스택과 힙의 메모리 영역을 엄격하게 분리하여 관리합니다. 프로그래머 역시 스택과 힙의 메모리 사용을 주의 깊게 관리해야 합니다.

3.3.4 PCB

PCB(Process Control Block)는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 ‘데이터’를 말합니다. 프로세스 제어 블록이라고도 합니다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성합니다.

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당됩니다. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리됩니다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됩니다.

PCB의 구조

PCB는 프로세스 스케쥴링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보로 이루어져 있습니다.

1. 프로세스 식별자(Process ID): 프로세스를 유일하게 식별할 수 있는 ID
2. 프로세스 상태: 프로세스의 현재 상태(실행 중, 준비, 대기 등)
3. 프로그램 카운터: 다음에 실행할 명령어의 주소
4. CPU 레지스터: CPU 레지스터의 값
5. CPU 스케줄링 정보: 프로세스의 우선순위, 스케줄링 매개변수 등
6. 메모리 관리 정보: 코드, 데이터, 스택의 기준 레지스터와 한계 레지스터 등
7. 계정 정보: 프로세스를 실행시킨 사용자의 계정 정보
8. I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 장치들의 상태

컨텍스트 스위칭

Context Switch는 운영체제에서 CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 작업을 말합니다. CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있기 때문에, 여러 프로세스가 실행되려면 CPU를 적절히 넘겨가며 실행해야 합니다.

Context Switch가 발생하는 주요 원인은 다음과 같습니다.

1. 프로세스 스케줄링에 의한 전환
   • 타임 슬라이스 만료, 높은 우선순위 프로세스 도착 등
2. 인터럽트 발생
   • I/O, 트랩 등의 인터럽트 발생 시
3. 사용자/커널 모드 전환
   • 사용자 프로세스가 커널 시스템 콜을 호출할 때

Context Switch 과정은 다음과 같습니다.

1. CPU에서 실행 중인 프로세스의 하드웨어 컨텍스트(레지스터값, 메모리 매핑 등)를 PCB에 저장
2. 새로 실행할 프로세스의 PCB 정보를 CPU에 복원
3. 새 프로세스 실행

Context Switch 비용이 너무 크면 시스템 전체 성능이 저하될 수 있습니다. 따라서 운영체제는 Context Switch 횟수를 최소화하고, 빠르게 처리하는 것이 중요합니다. 이를 위해 프로세스 스케줄링 정책, 메모리 관리 기법 등을 효율적으로 설계해야 합니다.

3.3.5 멀티프로세싱

멀티 프로세싱은 여러 개의 ‘프로세스’, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말합니다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬적으로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있습니다.

IPC

IPC(Inter-Process Communication)는 프로세스 간 통신을 의미합니다. 동일한 컴퓨터 또는 네트워크상의 다른 컴퓨터에 있는 프로세스들 간에 데이터를 주고받을 수 있게 해주는 메커니즘입니다.

 

IPC는 다음과 같은 경우에 필요합니다:

1. 정보 공유: 프로세스들이 서로 데이터를 공유하고 싶을 때
2. 계산 가속화: 작업을 병렬로 수행하여 더 빠른 계산을 하고자 할 때
3. 병용성 이용: 하나의 서비스를 여러 프로세스가 동시에 이용할 때
4. 모듈성 증가: 프로그램을 모듈화하여 개발하는 경우

주요 IPC 방식은 다음과 같습니다:

1. 파이프와 명령 FIFO(PIPE and Named PIPE)
2. 메시지 큐(Message Queue)
3. 공유 메모리(Shared Memory)
4. 소켓(Sockets)
5. 세마포어와 뮤텍스(Semaphores and Mutexes)
6. 신호(Signals)

IPC 메커니즘은 동기/비동기, 유니캐스트/멀티캐스트 등 다양한 특징이 있습니다. 프로그래머는 상황에 맞는 적절한 IPC 방식을 선택하여 안전하고 효율적인 프로세스간 통신을 구현해야 합니다. IPC는 분산 시스템, 데이터베이스 시스템, 웹 서버 등 다양한 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

3.3.6 스레드와 멀티스레딩

스레드

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위입니다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있습니다. 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유합니다. 그 외의 영역은 각각 생성합니다.

멀티스레딩

멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높습니다. 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능합니다. 또한, 동시성에도 큰 장점이 있습니다. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있습니다.

동시성

서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것

3.3.7 공유 자원과 임계 영역

공유 자원

공유 자원(shared resource)은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미합니다. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)이라고 합니다. 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태인 것이죠

임계 영역

임계 영역(critical section)은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말합니다. 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족합니다. 이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)입니다.

예를 들어 임계 영역을 화장실이라고 가정하면 화장실에 A라는 사람이 들어간 다음 문을 잠급니다. 그리고 다음 사람이 이를 기다리다 A가 나오면 화장실을 쓰는 방법입니다.

 

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

- 한정 대기 특정 프로세스가 영원힘 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다.

- 융통성 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 된다.

뮤텍스

뮤텍스(mutext)는 프로세스나 스레드가 공유 자원 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체입니다. 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대입니다. 또한 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가집니다.

세마포어

세마포어(semaphore)는 운영체제에서 프로세스 간의 동기화를 위해 사용되는 중요한 메커니즘 중 하나입니다. 세마포어는 공유 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용됩니다.

세마포어는 정수 값을 가지며, 이 값은 사용 가능한 자원의 개수를 나타냅니다. 프로세스가 자원을 사용하려면 먼저 세마포어 값을 감소시켜야 합니다. 이때 세마포어 값이 0보다 작아지면 프로세스는 자원을 사용할 수 없으며 대기해야 합니다. 프로세스가 자원 사용을 마치면 세마포어 값을 증가시켜 다른 프로세스가 해당 자원을 사용할 수 있게 합니다.

세마포어에는 두 가지 주요 연산이 있습니다:

1. wait(P) 또는 down: 프로세스가 자원을 요청할 때 사용됩니다. 세마포어 값이 0보다 크면 값을 감소시키고 자원 사용을 허용합니다. 그렇지 않으면 프로세스는 대기 상태가 됩니다.
2. signal(V) 또는 up: 프로세스가 자원 사용을 마치고 다른 프로세스가 해당 자원을 사용할 수 있게 할 때 사용됩니다. 세마포어 값을 증가시킵니다.

세마포어는 상호 배제(mutual exclusion), 프로세스 동기화, 제한된 버퍼 문제 등 다양한 상황에서 활용될 수 있습니다. 프로세스 간의 동기화를 보장하여 공유 자원에 대한 안전한 접근을 가능하게 합니다.

3.3.8 교착 상태

교착 상태(deadlock)는 두 개 이상의 프로세스가 서로 다른 자원을 기다리며 무한정 지연되는 상황을 말합니다. 이는 시스템 자원을 낭비하고 전체 성능을 저하시키는 심각한 문제입니다. 교착 상태가 발생하기 위한 4가지 필수 조건은 다음과 같습니다:

1. 상호 배제(Mutual Exclusion): 최소한 하나의 자원은 한 번에 하나의 프로세스만 사용할 수 있습니다.
2. 점유 대기(Hold and Wait): 프로세스가 최소한 하나의 자원을 보유한 상태에서 다른 자원을 기다리고 있습니다.
3. 비선점(No Preemption): 프로세스가 보유한 자원은 다른 프로세스에 의해 강제로 빼앗길 수 없습니다.
4. 순환 대기(Circular Wait): 두 개 이상의 프로세스 사이에 순환적인 자원 대기 의존 관계가 형성됩니다.

이러한 조건이 모두 만족되면 교착 상태가 발생합니다. 교착 상태를 해결하기 위한 방법은 다음과 같습니다:

1. 예방(Prevention): 4가지 조건 중 하나라도 만족되지 않도록 하여 교착 상태가 발생하지 않게 합니다. 자원 할당 그래프, 은행원 알고리즘 등을 사용할 수 있습니다.
2. 회피(Avoidance): 자원 할당 상태를 모니터링하고, 교착 상태로 갈 가능성이 있으면 자원 할당을 지연시켜 교착 상태를 피합니다. 은행원 알고리즘이 대표적입니다.
3. 탐지 및 복구(Detection and Recovery): 교착 상태를 허용하되, 주기적으로 프로세스의 자원 할당 상태를 검사하여 교착 상태를 탐지합니다. 탐지 시 교착 상태에 있는 프로세스를 종료하거나 자원을 선점하여 해결합니다.
4. 무시(Ignoring): 교착 상태가 아주 드물게 발생한다면 별다른 조치를 취하지 않습니다. 단, 시스템 성능에 큰 영향이 없어야 합니다.

일반적으로 예방이나 회피 방식이 가장 바람직하지만, 구현이 어려운 경우 탐지 및 복구 기법을 사용합니다. 교착 상태 문제를 완벽히 해결하기는 어렵지만, 이러한 방법을 통해 교착 상태로 인한 시스템 성능 저하를 최소화할 수 있습니다.

질문

• 운영체제란 무엇인가요?
  • 운영체제는 어떤 역할을 하나요?
  • 운영체제는 어떤 구조로 이루어져 있나요?
• 컴퓨터는 어떤 요소로 이루어져 있나요?
  • CPU는 어떤 요소로 이루어져 있나요?
• 메모리란 무엇인가요 ?
  • 메모리는 어떤 계층 구조로 이루어져 있나요?
  • 메모리는 어떤 방식으로 데이터를 관리하나요?
• 프로세스는 무엇이고 스레드는 무엇인가요?
  • 둘은 어떤 차이가 있나요?
  • 프로세스의 컴파일 과정에 대해 설명해줄 수 있나요?
  • 프로세스는 어떤 상태 값을 가지고 있나요?
  • 프로세스는 어떤 구조로 이루어져 있나요? (스택, 힙, 데이터 영역, 코드 영역)

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