240213 CS 스터디 - 운영체제

 

운영체제 목적

- 처리 빠르게

- 반환 시간 단축

 

운영체제의 역할

- 하드웨어 제어

- 스케줄링

- 메모리 관리

 

유저모드와 커널모드

CPU는 사용자 애플리케이션이 시스템을 손상시키는 것을 방지하기 위해 2가지 모드를 제공.

CPU에 있는 Mode bit로 모드를 구분하여 0은 커널모드, 1은 사용자모드로 나뉘어서 구동.

 

유저모드

- 사용자 응용 프로그램이 실행되는 모드

- 사용자가 직접적으로 접근할 수 있는 제한된 자원만 접근 가능. 시스템 자원이나 하드웨어에 직접적인 접근 불가

 

커널모드

- 커널이 실행되는 모드

- 시스템 자원 및 하드웨어에 대한 접근을 허용

 

시스템 콜 (System Call, 시스템 호출)

사용자 모드에 있는 응용 프로그램(user process)이 시스템 자원을 사용해야할 때 시스템 콜을 호출해서 커널 모드로 전환되어 작업을 수행하고, 완료 시 다시 사용자 모드로 전환한다.

 

시스템콜은 커널 영역의 기능을 사용자 모드가 사용 가능하게, 즉, 프로세스가 하드웨어에 직접 접근해서 필요한 기능을 할 수 있게 해준다. 프로세스 생성과 관리, 메모리 관리, 파일시스템 접근, I/O 디바이스 접근, 네트워크와 관련된 작업이 필요할 때 요청된다.

 

운영체제가 컴퓨터에 장착된 장치나 하드웨어를 관리하기 위해서 2가지 방식 중 하나를 사용합니다.

1. 폴링 방식 : 상태를 주기적으로 검사하여 조건을 만족하면 처리를 하는 방식
2. 인터럽트 방식 : 특정 신호를 발생시켜 운영체제에 처리를 요구하는 방식

 

인터럽트

CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때 입출력 하드웨어 등의 장치나 예외상황이 발생하여 처리가 필요할 경우에, 잠시 프로그램을 중단하고 발생한 일을 처리한 후 다시 실행중인 작업으로 돌아오는 것.

시스템 콜 또한 인터럽트의 일종이다.

 

소프트웨어 인터럽트 & 하드웨어 인터럽트

SW 인터럽트: 소프트웨어에 의해 발생하는 인터럽트

HW 인터럽트: timer, I/O, 전원 이상

 

인터럽트 동작 과정

- 프로그램 실행 중단

- 현재 프로그램 상태 보존: PC(Program Counter)의 값을 스택에 저장한다. (인터럽트 종료 후 복귀를 위해)

- ISR을 찾기 위해 IVT 참조 (인터럽트를 요청한 장치 식별)

- 인터럽트 서비스 루틴(ISR) 실행 : 실질적인 작업 수행

- 상태 복구

- 중단된 프로그램 실행 재개 : PC의 값을 이용하여 이전에 수행중이던 프로그램 재개

 

인터럽트 벡터란 무엇일까?

인터럽트 벡터는 인터럽트가 발생했을 때, 그 인터럽트를 처리할 수 있는 서비스 루틴들의 주소를 가지고 있는 공간이다.

 

프로세스와 스레드

프로세스: 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위

스레드: 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위

 

프로세스

스레드

 

프로세스의 자원 구조

"프로그램"이 실행되어 "프로세스"가 만들어지면 아래 4가지 메모리 영역으로 구성되어 할당받게 된다.

 

코드 영역(Code / Text) : 프로그래머가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 기계어 형태로 저장

데이터 영역 : 코드가 실행되면서 사용하는 전역 변수나 각종 데이터들이 모여있다

스택 영역 : 지역 변수와 같은 임시적인 자료를 저장하는 공간

힙 영역 : 생성자, 인스턴스와 같은 동적으로 할당되는 데이터들을 저장하는 공간

 

이때 프로세스의 4가지 메모리 영역 중 "스레드"는 Stack만 할당받아 복사하고, Code, Data, Heap은 프로세스 내의 다른 스레드들과 공유된다. 각각의 스레드는 별도의 스택을 가지고 있지만, 힙을 공유하기 때문에 서로 다른 스레드에서 가져와 읽고 쓸 수 있게 된다.

 

프로세스 간 통신(IPC, Inter-Process Communication)

반면, 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다. 이는 기본적으로 각 프로세스는 메모리에 별도의 주소 공간에서 실행되기 때문이다.

 

한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간 통신(IPC)을 사용해야 한다. (예. 파이프, 파일, 소켓 등..)

IPC의 종류는 크게 메시지 전달(Message Passing), 공유 메모리(Shared Memory)로 나뉜다.

 

Pipe와 Message Queue의 차이?

 

프로세스의 생성 과정

프로세스가 처음 만들어지면 메모리를 어떻게 할당받나?

fork -> 운영체제가 부모와 ID가 다름을 판단 -> 운영체제가 덮어씌운다

프로세스는 트리형태로 관리되고 있다

 

병행과 병렬의 차이

병렬은 동시에 일어나는 것

병행(concurrency)은 잘게 쪼개서 동시에 일어나는 것처럼 보이게 하는 것

 

멀티 스레드와 멀티 프로세스

멀티 프로세스

독립적인 메모리 공간을 가지고 있어 결함이 연쇄적으로 퍼지지 않을 확률이 높다.

컨텍스트 스위칭의 오버헤드 문제 존재. 적절한 동기화 조치 필요.

캐시 메모리 초기화 때문에 캐시 미스가 많이 발생.

 

멀티 스레드

스택을 제외한 메모리 영역을 공유하고 있어서 오버헤드 비용이 상대적으로 작다. (IPC 없이 공유메모리에 접근할 수 있어서 빠르다)

 

+) IO작업이 많으면 멀티 프로세스와 멀티 스레드 중 어떤게 적합할까?

IO 작업이 많으면 멀티 스레드 - 공유메모리 때문

 

CPU 작업이 많으면 컨텍스트 스위칭이 많이 일어나면 안되기 때문에 스레드가 적은게 좋다

 

Context Switching

CPU가 현재 진행중인 Task(Process, Thread)의 상태를 저장하고 다음 Task를 진행하는 과정.

현재 실행하고 있는 Task의 PCB (Process Control Block)  정보를 저장하고, 다음 실행할 Task의 PCB 정보를 읽어 Register에 적재하고 CPU가 이전에 진행했던 과정을 연속적으로 수행한다.

 

PCB의 구조

- process state: 프로세스 상태 (create, ready, running, waiting, terminated)

- process counter: 다음 실행할 명령어의 주소값

 

 

PCB를 무엇으로 구현하나?

이중 연결 리스트 - 삽입, 삭제가 빠르기 때문

 

context switching이 발생할 때의 비용(cost)

- cache 초기화

- memory mapping 초기화

- 프로세스 스케줄링 비용 (다음 프로세스 정하기)

 

context switching 비용은 프로세스가 스레드보다 많이 든다.

스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 context switching 발생 시 stack 영역만 변경하면 되기 때문이다.

 

컨텍스트 스위칭과 인터럽트

시스템콜이 인터럽트를 발생시킨다 -> 인터럽트가 발생되면 컨텍스트 스위칭이 일어난다

 

컨텍스트 스위칭이 왜 발생하나요?

- 하나의 CPU를 여러 프로세스 또는 스레드가 공유하는 경우, CPU가 실행중인 프로세스(또는 스레드)를 변경해야 한다. 이 때 발생.

- 우선순위가 높은 프로세스(또는 스레드)가 준비 상태로 전환될 때, 해당 프로세스(또는 스레드)로의 전환을 위해 컨텍스트 스위칭 필요.

 

컨텍스트 스위칭 과정

- PCB에 현재 컨텍스트 저장

- 새로운 컨텍스트 로드 : 스케줄러가 선택한 다음 프로세스(또는 스레드)에 저장된 컨텍스트를 메모리로 로드

- 프로세스(또는 스레드) 실행

 

컨텍스트 스위칭이 다중 프로세스와 다중 스레드 간에 어떻게 다를까?

다중 프로세스의 경우, 컨텍스트 스위칭 시 프로세스 간 전체적인 상태를 저장하고 복원해야 하므로 비용이 더 크다.

다중 스레드의 경우, 스레드는 동일한 프로세스 내에서 실행되므로 프로세스 간 스위칭보다 상대적으로 빠르다.

 

컨텍스트 스위칭을 최소화하기 위한 방법은 무엇인가?

- 프로세스 또는 스레드 풀 사용 : 프로세스 또는 스레드를 재사용함으로써 컨텍스트 스위칭 비용 줄일 수 있다. 프로세스 풀 또는 스레드 풀을 사용하여 미리 생성된 프로세스 또는 스레드를 사용한다.

- 스레드 우선순위 조정: 우선순위가 낮은 스레드는 우선순위가 높은 스레드에 의해 자주 preemption(선점)될 수 있으므로, 스레드 우선순위를 조정하여 더 적은 컨텍스트 스위칭이 발생하도록 할 수 있다.

- 락 사용 최소화 : 스레드 간 경합 상태를 줄이기 위해 락 최소화. 

 

FCFS (비선점형)

First Come First Served.

선착순 방식의 스케줄링.

레디큐에 있는 순서대로 CPU 할당.

반환시간(완료시간)은 괜찮지만 응답시간(시작시간)에 안좋아서 SJF가 나옴

 

SJF (비선점형, 선점형 모두 가능)

Shortest Job First. 최단 작업

CPU Burst 시간이 짧은 프로세스부터 CPU 할당

실행시간을 미리 알 수 없어서 사실상 불가능.

 

비선점형 SJF

 

선점형 SJF

 

SRT (선점)

Shortest Remaining Time. 잔여 시간

잔여 시간이 가장 작은 작업이 먼저 CPU 사용.

선점형 SJF 스케줄링이라 불린다.

 

Priority Scheduling

우선순위가 높은 작업이 먼저 CPU 사용.

기아문제 -> aging으로 어느정도 해결.

 

RR (선점형)

Round Robin.

시간 단위(time quantum)로 CPU 할당.

레디큐를 사용해 먼저 대기한 작업이 먼저 CPU 사용. 퀀텀 지나면 레디큐의 맨 끝으로 배치.

 

 

 

스케줄러의 종류

장기 스케줄러 : 어떤 프로세스를 준비큐에 넣을것인가? - 디스크에서 메모리로

단기 스케줄러 : 어떤 프로세스에게 CPU를 할당해줄 것인가? - 빈번하게 호출되기 때문에 실행 속도가 빨라야 한다.

중기 스케줄러 (메모리 스케줄러) : 메모리에 적재된 프로세스 수를 동적으로 조절 (관리) - 메모리에서 디스크로 빼기도 함, 디스크 io가 수시로 발생한다.

 

 

https://kosaf04pyh.tistory.com/191

[운영체제] 프로세스 스케줄러(단기,중기,장기)

 

프로세스의 상태

 

인터럽트 오면 대기

 

CPU Bound vs IO Bound

CPU Bound는 프로세스가 진행될 때, CPU 사용 기간이 I/O Wating 보다 많은 경우다.

IO 바운드가 CPU 바운드보다 더 cpu 사용량이 적어서 io 바운드에 우선순위를 더 준다

그래서 cpu 바운드 프로세스가 기아상태에 빠지지 않도록 스케줄링.