[Knowledge] OS
운영체제(OS)
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운영체제
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정의 : 컴퓨터 하드웨어와 컴퓨터 사용자 간의 매개체 역할을 하는 시스템 소프트웨어
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목적 :
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프로세스 관리 : CPU를 어떻게 하면 효율적으로 사용할 수 있을지 생각해 스케줄링 하는 것으로 작업 시간을 할당하거나, 작업의 우선순위를 부여해 효율적으로 실행되도록 프로세스를 관리하는 것
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기억장치 관리 : 한정된 자원인 RAM, HW를 효율적으로 사용, 프로그램에게 기억 공간이 필요할 때 할당, 회수를 하면서 기억공간을 효율적으로 사용할 수 있도록 한다.
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파일 관리 : 각 파일의 이름과 보조 기억 장치의 저장영역을 기억해 주었다가 필요할 때 접근해 파일을 저장, 삭제, 복사, 이동, 검색등을 한다.
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입출력장치 관리 : 마우스나 키보드 등으로 컴퓨터에 입력되는 정보나 프린터기 컴퓨터 화면과 같 출력되는 정보들을 관리한다.
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성능향상 :
- 처리량(Throughput) 증대 : 일정한 시간안에 더 많은 작업을 수행
- 응답시간(Turn-around Time)의 단축 : 어떠한 프로세스가 작업을 요구했을 때 더 빨리 응답하는 것
- 신뢰성(Reliability) : 운영체제의 오류 등을 줄여서 사용자에게 운영체제의 신뢰성을 높임
- 사용도(availability) : 명령어 등을 이용해 쉽게 접근할 수 있도록 함
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운영체제 유형
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일괄처리 시스템(batch processing system)
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유사한 작업끼리 묶어서 한번에 한 작업씩 순서대로 처리
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유휴 상태의 시간을 없애기 위해 작업 순서의 자동화 개념 도입
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작업의 준비 및 실행 순서를 자동화함으로써 시스템의 성능을 증진
<그림출처 : http://sunrint10103.tistory.com/>
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다중프로그래밍 시스템( multiprogramming system)
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여러개의 프로그램을 동시에 메모리(RAM)에 적재시켜놓고, CPU를 나눠쓰게 하는 시스템 CPU가 항상 수행되도록해 그 이용도를 높이기 위한 방안
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주기억장치(RAM) 내에 동시에 여러 프로그램들이 존재하도록 한다. > 철저한 메모리관리가 필요하다. 어떤 프로그램에게 먼저 CPU를 할당할 것인지에 대한 스케줄링도 필요하다.
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다중처리 시스템(multiprocessing system)
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2개 이상의 프로세서가 동시에 동작하는 프로그램으로 여러개의 프로세서가 작업을 한다.
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하나의 CPU가 장애를 일으키더라도 다른 CPU가 작동할 수 있어 신뢰도 향상
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여러개의 CPU로 신속한 처리가 가능하지만 운영체제의 세심한 설계가 필요
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공유기억장치(common memory)를 통해 하나로 연결된 다중처리기의 제어 및 공유를 위한 시스템
<그림출처 : 운영체제-박규석(생능출판사)>
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시분할 시스템(time-sharing system)
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다중프로그래밍 방식을 변형한 것으로 CPU를 아주 짧은 시간동안 돌아가면서 사용하는 방식
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여러명의 사용자들이 돌아가면서 컴퓨터 자원에 대한 짧은 시간 단위의 sharing
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메모리에 여러 사용자의 프로그램이 적재되어야 함으로 다중프로그래밍 환경이 지원되야 하며 어떤사용자에게 먼저 CPU를 할당할건지에 대한 관리가 필요, 또한 여러명의 사용자가 RAM에 접근해 입출력 장치나 파일들을 공유하기에 그 정보들에 대한 보호와 접근제어가 필요하다.
<그림출처 : 운영체제-박규석(생능출판사)>
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실시간 시스템(real-time system)
- 외부의 제어 대상으로부터 입력되는 데이터를 짧은 시간, 또는 특정시간 내에 결과를 출력하거나 응답하는것, 데이터가 무작위로 갑자기 날아오기 떄문에 빠른 입출력 장치가 필요, 동시에 데이터가 날아오는 것을 예방하기 위해 우선순위를 잘 짜야한다.
- 매우 엄격하게 정의되어있는 시간 제약 등과 같은 사건들의 제시된 상황을 분석 사전에 정의된 제약 내에서 수행되어야 함
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분산처리 시스템(distributed processing system)
- 각 시스템은 자신의 운영체제와 메모리, 프로세스를 가지고 있어서 독립적으로 운영되지만 필요할 때 서로 통신하는 시스템이다.
- 사용자의 접근을 제어하면서 CPU, 입출력장치 등 동시에 사용하는 자원을 편리하게 공유한다.
- 프로세서들이 기억장치와 클럭을 공유하지 않으며 각 프로세서들은 자신의 지역(local) 기억장치 보유프로세서들은 고속의 버스(bus)나 전화선과 같은 다양한 통신라인을 통해 서로 통신
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프로세스와 스레드
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프로그램(program) : 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일
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프로세스(process) :
정의
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컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램
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PCB(process control block)를 지닌 프로그램
+(PCB? 프로세스에 관한 모든 정보를 가지고 있는 데이터베이스)
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프로그램 카운터를 지닌 프로그램
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메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
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운영체제로부터 시스템 자원(CPU시간, 운영되기 위해 필요한 주소 공간)을 할당받는 작업의 단위
구성요소 4가지
- 코드(code)영역 : 프로그램의 코드 자체, 프로그램은 실행되기 전에 주기억장치에 CPU가 해석할 수 있는 바이너리 코드 상태로 주기억장치에 올라가게 되는 영역
- 데이터(data) 영역 : 프로그램의 전역변수나 정적변수의 할당
- 스택(stack) 영역 : 지역변수 할당과 함수 호출 시 전달되는 인자값
- 힙(heap) 영역 : 동적할당
특징
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프로세스강 최소 1개의 메인 스레드를 가지고 있다.
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각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근이 불가하다.
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한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신을 사용해야한다.(ex.파이프, 파일, 소켓등을 이용한 통신 방법)
<그림출처 : https://gmlwjd9405.github.io/2017/10/01/basic-concepts-of-development-os.html>
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스레드(Thread) :
정의
- 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
- 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위
특징
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스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당 받고, Code, Data, Heap영역은 공유한다.
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스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
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같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
<그림출처 : https://gmlwjd9405.github.io/2017/10/01/basic-concepts-of-development-os.html>
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멀티 프로세스(multi process)와 멀티 스레드(multi thread)의 차이
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공통점 : 동시에 두 가지 이상의 루틴을 실행할 수 있는 역할
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멀티 프로세스(multi process)
- 부모 - 자식관계여도 자신만의 메모리 영역을 가지게 된다.
- 환경변수와 프로세스 핸들 테이블이 상속 가능할 뿐 결국 독립적인 관계이다.
- fork()를 통해 프로세스를 복사한다.
- 유닉스에서 ps명령어로 현재 수행중인 프로세스 확인이 가능하다.
- 프로세스 간의 통신을 하려면 IPC(Inter Process Communication)를 통해야 한다.
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멀티 스레드(multi thread)
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하나의 프로세스가 다수 개의 작업을 각각 스레드를 이용하여 동시에 작동 시킬 수 있다.
<그림출처 : https://gmlwjd9405.github.io/2017/10/01/basic-concepts-of-development-os.html>
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멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?
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프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업하는 것이 더 이득인 이유
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Context Switching : 프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU레지스터 교체 뿐만이 아니라 RAM과 CPU사이의 캐쉬메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 상당한 부담이 발생한다.
+(Context Switching? 한 프로세스에서 다른 프로세스로 CPU가 할당되는 과정)
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memory 공유 : stack을 제외한 모든 메모리 공유가 가능하여 프로세스 통신과 같은 복잡한 과정을 거치지 안고 효율적인 일처리가 가능하다.
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결론 : 완전히 별개의 프로그램이라면 독립적인 프로세스를 구성해야겠지만 서로 관련된 기능들을 가진 프로그램이라면 기능들을 멀티 스레드로 구현하는 것이 더 이득이 된다.
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Thread-safe
정의
- 멀티 스레드환경에서 여러 스레드가 동시에 하나의 객체 및 변수(공유자원)에 접근할 때, 의도한 대로 동작하는 것을 말한다.
Thread-safe구현
- Thread-safe를 하기 위해서는 공유 자원에 접근하는 임계영역(critical section)을 동기화 기법으로 제어해줘야 한다. 이를 상호배제하고 하며 이러한 동기화 기법에는 뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)가 있다.
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프로세스 스케줄링
목적 : 응답 시간의 최소화, 오버헤드 최소화, 자원 사용의 균형 유지, 실행의 무한한 지연을 피함
방법 분류 :
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선점/비선점 기법
- 비선점 기법: 하나의 프로세스에 중앙처리장치가 할당되면 그 프로세스의 수행이 끝날 때까지 중앙처리장치는 그 프로세스로부터 빠져나올 수 없다.
- 선점 기법: 하나의 프로세스가 중앙처리장치를 차지하고 있을 때 다른 프로세스가 현재 수행중인 프로세스를 중지시키고 자신이 중앙처리장치를 차지할 수 있다.
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우선순위(priority) 기법
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각 프로세스에게 우선순위를 부여하여 우선순위가 높은 순서대로 처리하는 방법
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정적 우선순위(static priority)기법 : 상대적으로 오버헤드는 적으나, 주위 여건의 변화에
적응하지 않고 우선순위를 바꾸지 않는다.
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동적 우선순위(dynamic priority) 기법 : 필요에 따라 우선순위 재구성
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스케줄링 예시 :
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FCFS(First Come First Served) 스케줄링
- 가장 간단한 스케줄링 방식, 비선점 스케줄링 방법
- 프로세스들은 대기 큐에 도착한 순서에 따라 중앙처리장치를 할당
- 호위효과(convoy effect) : 첫번째 프로세스가 끝날 때까지 매우 긴 시간을 기다리게 되는 것
- 먼저 도착한 프로세스가 CPU에서 수행되는 버스트 시간이 매우 길면, 그 다음 도착한 프로세스가 첫 번째 프로세스가 끝날 때까지 매우 긴 시간을 기다리게 되는 것
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SJF(Shortest Job First) 스케줄링
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비선점 방식
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프로세스 중에서 수행시간이 가장 짧은 것을 먼저 수행하는 비 선점 스케줄링 방식
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문제점 :
수행될 프로세스나 프로세스가 얼마나 긴 것인가를 정확히 알아야 하는데, 이 정보를 얻기가 어려움
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Priority 스케줄링
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각 프로세스에게 주어지며, 중앙처리장치는 가장 높은 우선순위를 가진 프로세스로 할당
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문제점 :
-무한대기(indefinite blocking)또는 기아현상(starvation) : 낮은 우선순위의 프로세스들이 중앙처리장치를 무한히 대기하는 경우
-에이징(aging) : 낮은 우선순위 프로세스들의 무한 대기 문제에 대한 해결책, 오랫동안 시스템에서 대기하는 프로세스들의 우선순위를 점진적으로 증가시키는 방법
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라운드로빈(Round-Robin) 스케줄링
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시분할 시스템을 위하여 고안된 선점 스케줄링 방식
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각 프로세스는 같은 크기의 중앙처리장치 시간을 할당 받음
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할당시간(time quantum)의 크기는 보통 10에서 100ms사이
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할당시간이 너무크면 FCFS와 같은 형식이 되고, 너무 적으면 문맥교환을 위한 오버헤드가 커진다.
<출처 : 운영체제-박규석(생능출판사)>
<출처 : https://github.com/WeareSoft/tech-interview/blob/master/contents/os.md>
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동기(Synchronous)와 비동기(Asynchronous)
- 동기(Synchronous)
- 두 개의 프로세스가 데이터를 주고 받을 때, 주고 받는 순서(시간)가 일정하다는 것이다.
- 어떤 작업을 요청했을 때, 그 작업이 종료될 때까지 기다린 후 다음 작업을 수행하는것이다.
- 데이터를 주고받는 ‘순서’가 중요할때 사용된다.
- 요청한 작업만 처리하면 되기 때문에 전체적인 수행 속도는 빠를 수 있다.
- 한 작업에 대한 시간이 길어질 경우, 전체 응답이 지연될 수 있다.
- 비동기(Asynchronous)
- 어떤 작업을 요청했을 때 그 작업이 종료될 때까지 기다리지 않고(작업을 위임하고), 다음 작업을 수행한다.
- 요청했던 작업이 끝나면 결과를 받고, 그에 따른 추가 작업이 있다면 수행한다.
- 요청 순서에 상관없이, 동시에 다수의 작업을 처리할 수 있다.
- 작업이 끝날 때 따로 이벤트를 감지하고 결과를 받아 그에 따른 추가 작업을 해줘야하기 때문에, 비교적 느릴 수 있다.
- I/O 작업이 잦고, 빠른 응답속도를 요구하는 프로그램에 적합하다.
- 동기(Synchronous)
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뮤텍스(Mutex)와 세마포어(Semaphore)
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뮤텍스(Mutex)
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공유된 자원의 데이터를 여러 스레드가 접근하는 것을 막는 것
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Mutual Exclusion 으로 상호배제라고도 한다. Critical Section을 가진 쓰레드들의 Runnig Time이 서로 겹치지 않게 각각 단독으로 실행되게 하는 기술
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다중 프로세스들의 공유 리소스에 대한 접근을 조율하기 위해 locking과 synchronized 을 사용한다.
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뮤텍스 객체를 두 쓰레드가 동시에 사용할 수 없다는 의미
+Critical Section? 다중 프로그래밍 운영체제에서 여러 프로세스가 데이타를 공유하면서 수행될 때 각 프로세스에서 공유 데이터를 액세스하는 프로그램 코드 부분
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세마포어(Semaphore)
- 공유된 자원의 데이터를 여러 프로세스가 접근하는 것을 막는 것
- 리소스의 상태를 나타내는 간단한 카운터로 생각할 수 있다.
- 일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 이용하게 되며, 유닉스 시스템의 프로그래밍에서 세마포어는 운영체제의 리소스를 경쟁적으로 사용하는 다중 프로세스에서 행동을 조정하거나 또는 동기화 시키는 기술이다.
- 세마포어는 운영체제 또는 커널의 한 지정된 저장장치 내 값으로서, 각 프로세스는 이를 확인하고 변경할 수 있다.
- 세마포어는 이진수(0 또는 1)를 사용하거나, 또는 추가적인 값을 가질 수도 있습니다. 세마포어를 사용하는 프로세스는 그 값을 확인하고, 자원을 사용하는 동안에는 그 값을 변경함으로써 다른 세마포어 사용자들이 기다리도록 해야한다.
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차이점
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동기화 갯수 : Mutex는 동기화 대상이 오직 하나뿐일 때, Semaphore는 동기화 대상이 하나 이상일때 사용한다.
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교착상태(Deadlock)
개념
- 첫 번째 스레드는 두 번째 스레드가 들고 있는 객체의 락이 풀리기를 기다리고 있고, 두 번째 스레드 역시 첫 번째 스레드가 들고 있는 객체의 락이 풀리기를 기다리는 상황을 말한다.
- 모든 스레드가 락이 풀리기를 기다리고 있기 때문에, 무한 대기 상태에 빠지게 된다. 이런 스레드를 교착상태에 빠졌다고 한다.
- 하나 또는 그 이상의 프로세스가 발생될 수 없는 어떤 특정 사건을 기다리고 있는 상태 혹은 특정 프로세스가 특정한 자원을 위하여 무한정 기다려도 도저히 해결할 수 없는 상태
- 프로세스가 자원을 얻지 못해 다음 처리를 하지 못하는 상태로, ‘교착 상태’라고도 하며 시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생
데드락 발생 조건
- 교착상태는 한 시스템 내에서 4가지 조건이 동시에 성립할 때 발생한다. 하나라도 성립하지 않도록 만든다면 교착상태를 해결할 수 있다.
- (1) 상호배제(Mutual exclusion)
- 자원은 한 번에 한 프로세스만이 사용할 수 있어야 한다.
- 적어도 하나의 자원은 반드시 비 공유 되는 상태에서 점유되어야 한다.
- (2) 점유대기(Hold and wait)
- 적어도 하나의 자원을 점유하면서 다른 프로세스에 의해 점유된 다른 자원을 요구하고 할당받기를 기다리는 프로세스가 있어야 한다.
- (3)비선점(Mo preemption)
- 다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때까지 강제로 빼앗을 수 없어야한다.
- 작업의 수행이 끝날 때까지 해당 자원을 반환하지 않는다.
- (4)순환 대기(Circular wait)
- 각 프로세스 환형 내의 이전 프로세스가 요청하는 자원을 점유와 요청해야 한다.
- 프로세스의 집합 {P0, P1, ,…Pn}에서 P0는 P1이 점유한 자원을 대기하고 P1은 P2가 점유한 자원을 대기하고 P2…Pn-1은 Pn이 점유한 자원을 대기하며 Pn은 P0가 점유한 자원을 요구해야 한다.
데드락 처리
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(1) 교착 상태 예방(Prevention)법
하벤더(Havender)가 제시한 방안
사전에 교착 상태 발생 가능성을 없애는 방안
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(1) 상호 배제(Mutual exclusion) 부정
여러개의 프로세스가 공유 자원을 사용할 수 있도록 한다.
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(2) 점유 대기(Hold and wait) 부정
-요구한 자원을 전부 할당하여 주거나 또는 하나라도 부족하면 전혀 할당하지 않는 방식이다.
-프로세스가 실행되기 전 필요한 모든 자원을 할당한다.
-한꺼번에 원하는 자원을 제공할 수 없는 경우에는 무한 연기한다.
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(3) 비선점(No preemption) 부정
자원을 점유하고 있는 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 점유하고 있는 자원을 반납하고, 요구한 자원을 사용하기 위해 기다리게 한다.
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(4) 순환 대기(Circular wait) 부정
-자원에 고유한 번호를 할당하고, 번호 순서대로 자원을 요구하도록 한다.
-예상한 순서와 다르게 자원을 요구하는 작업들은 실제로 자원을 사용하기 훨씬 전부터 자원을 요구/점유하고 있어야하며, 새로운 자원이 시스템에 추가되면 현존하는 프로그램과 시스템을 재작성해야한다.
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회피(Avoidence)법
교착 상태가 발생하면 피해나가는 방법
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은행원 알고리즘(Banker’s Algorithm)
다익스트라(Dijkstra)가 제안한 방법으로 프로세스가 자원을 요구할 때 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는지 사전에 검사하여 교착 상태를 회피하는 방법이다.
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문제점
-사용 가능한 일정량의 자원이 미리 존재하도록 요구된다.
-남아있는 사용자의 수가 수시로 변경된다.
-모든 요청에 대하여 주어진 시간 내에서 자원을 할당할 수 있도록 더 강력한 보장이 필요하다.
-사전에 자기가 필요한 자원의 최대량을 제시해야한다.
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교착상태 탐지 및 회복
교착 상태가 되도록 허용한 다음에 회복시키는 방법
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탐지 알고리즘
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문제점
-시스템 교착 상태인지 알기 어렵다.
-프로세스를 무기한 정지시키고 계속하도록하는 기능이 거의 없다.
-상당한 추가비용이 든다.
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회복방법
교착 상태에 있는 한 개 또는 그이상의 프로세스를 희생시켜 선점을 허용하는 방법이다.
(1) 희생자(victim) 선점
어느 프로세스를 희생 시킬지 정한다.
희생자 선정기준은 프로세스들의 우선순위, 남은 시간, 몇 개의 프로세스 등이 있다.
(2) 복귀(rollback) 문제
어느 정도의 시간(범위)을 복귀시켜야 하는지 기간을 결정한다.
처음부터 다시 시작 혹은 최소한의 시간 범위 안에서 복귀시키는 방법이 있다.
(3) 기아현상(starvation) 문제
반복적으로 희생자로 선정될 수 있는 가능성 문제가 있다.
상한선을 정하고 그 값에 도달하면 더 이상 희생자가 될 수 없도록 한다.
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그러나 오늘날의 시스템에서 교착상태는 그리 자주 발생하지는 않는다.
<출처 : https://jwprogramming.tistory.com/12?category=680235>
<출처 : 운영체제-박규석(생능출판사)>
출처
1.운영체제-박규석(생능출판사)
2.https://jwprogramming.tistory.com/12?category=680235
3.https://github.com/WeareSoft/tech-interview/blob/master/contents/os.md
4.https://jiminon5.tistory.com/46?category=620750
5.http://sunrint10103.tistory.com/
