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 모드`에서만 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, `시스템콜`과 `커널`을 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 `메모리`에 올라가 `인스턴스화` 된 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 기다림
- `실행`: 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. 사용자가 `process.kill` 등 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 저장 `읽기 전용` 공간으로, 프로그램 실행 시간 동안 크기 고정 |
데이터 영역 中
BSS segment
전역 변수, static & const 로 선언
`0`으로 초기화 또는 초기화가 어떤 값으로도 되어 있지 않은 변수
Data segment
전역 변수, static & const로 선언
`0이 아닌 값`으로 초기화 된 변수
프로세스 제어 블록 (PCB, Process Control Block)
운영체제에서 프로세스에 대한 `메타데이터`를 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 FLUSH`발생
- 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