운영체제의 역할과 구조
운영체제 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리
CPU 소유권을 어떤프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환 관리 - 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당할지
- 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지
- I/O 디바이스 관리: 마우스, 키보드 등과 컴퓨터 간에 데이터 주고 받는 것 관리
운영체제 구조
- GUI: 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태
- 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
- CUI: 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
커널 (Kernel)
하드웨어와 응용 프로그램 사이에서 자원을 관리하는 역할
CPU, 메모리, 디스크, 네트워크, 파일 시스템 등 제어
일반 응용 프로그램이 직접 접근 할 수X, 커널 모드에서만 실행 가능
유저 모드
일반 응용 프로그램이 실행되는 모드
운영체제의 중요한 자원에 직접 접근 불가
시스템 콜을 통해서만 커널 기능을 사용할 수 있음
웹 브라우저, 게임, 동영상 플레이어 등
일반 사용자 프로그램은 항상 유저 모드에서 실행
커널 모드
운영체제가 실행되는 특권 모드
CPU가 모든 메모리 / 하드웨어 자원에 접근 가능
파일 시스템 접근 : 사용자가 파일을 저장하면, 커널이 디스크에 저장
메모리 할당 : 프로그램이 실행될 때, 커널이 메모리를 할당
유저 모드와 커널 모드 전환 과정
유저 모드에서 커널 모드를 사용하려면 *시스템콜을 이용해야 함
EX) 파일 읽기 과정 (read() 함수 호출)
- 웹 브라우저 (유저 모드)에서 파일을 읽으려 함 :
read()호출 - 시스템콜로 커널 모드로 전환
- 커널이 파일 시스템에서 데이터를 가져옴
- 파일 데이터를 웹 브라우저에 전달 후 다시 유저 모드로 전환
시스템콜
운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
프로세스나 스레드에서 운영체제로 요청을 할 때, 시스템콜과 커널을 거쳐 운영체제로 전달됨
시스템 콜을 사용하면, 유저 모드에서 실행되는 프로그램이 커널 모드로 전환되어 하드웨어 자원에 접근하거나 보호된 시스템 기능 사용 가능
즉, 시스템 콜은 사용자 프로그램과 커널 사이의 상호작용을 가능하게 함
프로세스
프로세스 (Process)
- cpu 스케줄링의 대상이 되는 작업
- 프로그램이
메모리에 올라가인스턴스화된 것 (실행 중인 프로그램)
| 프로그램 | 프로세스 | |
| 정의, 상태 | 특정 작업을 위해 작성된 코드의 집합 HDD, SSD에 저장된 정적 상태 |
실행 중인 프로그램 메모리에 로드되어 동적으로 작동 |
| 자원 사용 | 저장을 위한 디스크 공간만 必 | CPU, 메모리 주소, 디스크 등 다양한 시스템 자원 사용 |
| 인스턴스화 | 하나의 프로그램 파일로 존재 | 여러 번 실행되면 여러 개 생성 O |
| 특성 | 수동, 정적 엔티티 실행 전까지 어떤 작업도 수행 X |
동적, 활성화된 엔티티 OS에 의해 관리 됨 |
프로세스 상태
생성: 프로세스가 생성된 상태 (PCB 할당)준비: 메모리 공간이 충분하면, 메모리를 할당 받음, CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다림실행: CPU 소유권과 메모리를 할당받고, *Instructions을 수행 중인 생태 (*cpu burst)대기: 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태 (ex. I/O 인터럽트)-
종료: 메모리와 CPU 소유권 모두 놓고 가는 상태 (*비자발적 종료도 존재)
Instruction
컴퓨터가 수행해야 할 작업을 기술한 명령들, 프로그램 실행의 기본 단위
CPU는 프로그램 실행 중 각 명령어를 순차적으로 가져오고(fetch), 해석 (decode)후 실행(execute)하는
사이클 반복 , 이러한 명령어는 메모리에서 가져와 실행
cpu burst
프로세스가 cpu를 독점적으로 사용해 연속적으로 명령어를 실행하는 구간
I/O 작업 없이 오직 CPU에서 연산만 수행
비자발적 종료
부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 시키는 비자발적 종료(abort)
1. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘겼을 때
2. 부모 프로세스가 종료 됐을 때
3. 사용자가process.kill등 여러 명령어로 프로세스 종료할 때
프로세스 메모리 구조
운영체제는 프로세스에 위와 같은 구조로 적절한 메모리 할당
| 영역 | 설명 |
| 스택 영역 | 1. 함수 호출 시 임시 데이터 저장 공간 2. 함수 매개변수, 복귀 주소, 지역 변수 등 저장 3. 함수 호출 시 생성 & 종료 시 제거되는 활성화 레코드 pop/push 4. 높은 주소 → 낮은 주소 |
| 힙 영역 | 1. 프로그램 실행 중 동적으로 할당되는 메모리 공간 2. 프로그래머가 직접 관리 하는 영역 3. 메모리 누수를 방지하기 위해 할당 후 반드시 해제 4. 낮은 주소 → 높은 주소 |
| 데이터 영역 | 전역변수, 정적 변수 저장 프로그램 실행 시간 동안 크기 고정 |
| 코드 영역(TEXT 영역) | 실행 가능한 기계어로 이루어진 명령어 저장읽기 전용 공간으로, 프로그램 실행 시간 동안 크기 고정 |
데이터 영역 中
BSS segment
전역 변수, static & const 로 선언0으로 초기화 또는 초기화가 어떤 값으로도 되어 있지 않은 변수
Data segment
전역 변수, static & const로 선언0이 아닌 값으로 초기화 된 변수
프로세스 제어 블록 (PCB, Process Control Block)
운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터
프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성함
프로세스가 생성되면, 프로세스 주소 값들에 메모리가 할당 되고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장 & 관리
프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있으므로 일반 사용자가 접근하지 못하도록
커널 스택의 가장 앞 부분에서 관리됨
PCB 구조
- 프로세스 식별자 (PID) : 각 프로세스의 고유한 ID
- 프로세스 상태: 실행, 대기, 정지 상태 등
- 프로그램 카운터: 다음에 실행할 명령어의 주소
- CPU 레지스터: 누산기 (Accumulator), 스택 포인터, 베이스 레지스터 등
- CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
- I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록
- 계정 정보: 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
스레드 (Thread)
프로세스 내에서 실행되는 가장 작은 실행 단위
프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있음
프로세스 내의 스레드들은 Stack을 제외한 메모리 영역을 공유
멀티프로세싱 & 멀티스레딩
멀티프로세스와 멀티스레딩은 동시에 여러 작업을 처리하는 방식
멀티프로세싱
여러 개의 독립된 프로세스가 동시에 실행되는 것
특징
- 독립된 메모리 공간 사용: 각 프로세스는 자신만의 주소 공간(코드, 데이터, 힙, 스택 등)을 가짐
- 프로세스 간 통신(*IPC) 필요: 파이프, 메시지 큐, 공유 메모리 사용
- 컨텍스트 스위칭 비용 高 : 프로세스 간 문맥 전환 시
캐시 미스(Cache Miss) 발생
장점
- 안정성: 한 프로세스가 죽어도 다른 프로세스에 영향을 주지 않음
- 멀티코어 CPU 활용 : 여러 개의 코어에서 병렬로 실행 가능
- 운영체제에서 멀티프로세스를 기본적으로 지원: 프로세스 단위의 자원 관리가 체계적
단점
- IPC 高 : 데이터를 주고 받으려면 별도 통신 방식 必
- 컨텍스트 스위칭 비용 高: 프로세스 전환 시 메모리 독립성이 유지돼야 하므로 성능 저하
- 메모리 사용량 多: 각 프로세스가 독립된 메모리 공간 차지
예시
- 웹 브라우저: 각 탭을 개별 프로세스로 실행, 하나가 죽어도 다른 탭에 영향X
- 데이터 베이스: 여러 개의 클라이언트 요청을 개별 프로세스로 처리
IPC (Inter-Process Communication) ❓
독립된 프로세스들이 데이터를 주고받는 방법
공유 방식: 공유 메모리, 메시지 큐, 파이프, 소켓 등
멀티스레딩
프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 처리하는 기법
스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음
프로그램의 성능과 응답성을 향상시킬 수 있으나, 적절한 동기화와 자원 관리 必
특징
- 프로세스의 자원 (메모리 등) 공유
- 독립적인 작업 수행
- CPU의 여러 코어를 효율적으로 활용
장점
- 응답성 향상: 한 스레드가 작업 중이어도 다른 스레드가 사용자 입력에 응답 가능
- 자원 효율성: 프로세스보다 적은 메모리 & 자원 사용
- 빠른 *컨텍스트 스위칭: 스레드 간 전환이 프로세스보다 빠름
- 병렬 처리: 멀티코어 환경에서 여러 작업 동시에 처리 가능
단점
- 동기화 문제: 공유 자원에 대한 접근을 조절해야 함
- 디버깅 어려움: 여러 스레드가 동시에 실행되어 버그 추적 복잡
- 데드락 가능성: 스레드 간 자원 경쟁으로 교착 상태 발생 가능
예시
- 웹 서버: 동시에 여러 클라이언트 요청 처리
- 멀티미디어 애플리 케이션: 영상/음향 재생과 기타 작업을 동시에 수행
멀티프로세싱 VS 멀티스레딩 비교
| 구분 | 멀티프로세싱 | 멀티스레딩 |
| 실행 단위 | 여러 프로세스 | 한 프로세스 내 여러 스레드 |
| 메모리 공유 | 독립된 메모리 사용 | 같은 프로세스 내 메모리 공유 |
| 안정성 | 한 프로세스 死, 다른 프로세스 영향X | 한 스레드 死, 전체 프로세스 영향 가능 |
| 속도 | IPC 필요, 상대적으로 느림 | 메모리 공유로 빠름 |
| 컨텍스트 스위칭 비용 | 높음 (메모리 독립) | 낮음 (메모리 공유) |
컨텍스트 스위칭 (Context Switching)
CPU가 현재 실행 중인 작업(프로세스 또는 스레드)의 상태를 저장하고, 다른 작업의 상태를 복원하는 과정
이 과정에서 PCB 또는 TCB를 사용하여 레지스터, 프로그램 카운터, 스택 등의 정보를 저장 & 복원
프로세스 컨텍스트 스위칭
PCB를 교환 하는 과정 (프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생)
컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이나, 어떤 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개.
동시에 실행되는 것처럼 보이는 이유는 컨텍스트 스위칭이 매우 빨라서 그렇게 보임
현대 컴퓨터는 멀티 코어의 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램은 아님
컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어를 기준으로 설명
과정
- 현재 프로세스 상태 저장: 레지스터 값, PC, 스택 포인터 등을 PCB에 저장
- 새로운 프로세스 PCB 로드: PCB 정보를 가져와 CPU에 복원
- 메모리 매핑 변경: 프로세스가 달르면 주소 공간이 다르므로 *MMU 설정 변경, *
TLB FLUSH발생 - CPU가 새로운 프로세스 실행
스레드 컨텍스트 스위칭
같은 프로세스 내 실행 중인 스레드를 변경할 때 발생하는 과정
과정
- 현재 실행중인 스레드의 상태 저장: 레지스터 값, PC, 스택 포인터 등 TBC에 저장
- 새로운 스레드의 TBC 로드
- CPU가 새로운 스레드 실행
프로세스 CS VS 스레드 CS
스레트 컨텍스트 스위칭의 비용이 더 낮다.
프로세스CS는 주소 공간을 변경 하는 메모리 매핑 변경 과정이 발생하는 반면 스레드는 같은 주소 공간 공유