240306 CS 스터디 - 운영체제 질문 모음2

Q1. 동기화가 무엇인가요

어떤 프로그램을 실행하면, 여러 프로세스들이 협력하며 실행된다.

프로세스 동기화란, 이런 프로세스들 사이의 수행 시기를 맞추는 것.

(프로세스 뿐만 아니라 스레드도 동기화 대상이다.)

 

프로세스들 사이의 수행 시기를 맞춘다는 것은 크게 두 가지를 의미한다.

1) 실행 순서 제어 : 프로세스를 올바른 순서대로 실행하기

2) 상호 배제 : 동시에 접근해서는 안되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 하기 

 

Q2. 동기화가 왜 필요한가요? (프로세스를 동기화하지 않을 경우 발생할 수 있는 문제들)

동기화의 목적은 크게 1. 실행 순서 제어, 2. 상호 배제라고 했다.

동기화하지 않을 경우 발생할 수 있는 문제들로 동기화가 필요한 이유를 설명하겠다.

 

실행 순서를 제어하지 않으면, 쓰기 프로세스가 실행되기 전에 읽기 프로세스가 실행되어 변경된 값을 읽어오지 못하는 문제가 발생할 수 있다.

 

또 다른 예시로 프로세스 A가 잔액에 2만원을 더하고, 프로세스 B가 잔액에 5만원을 더한다고 할 때, 프로세스 A가 끝나기도 전에 프로세스 B가 '잔액'이라는 데이터를 읽는다면, 최종적으로 5만원만 더해져 있을 것이다.

 

이런 문제를 해결하기 위해 동기화가 필요하다. 

 

Q3. 생산자와 소비자 문제가 무엇인가요

10이라는 총합이 있을 때, 생산자는 10에서 1을 더하는 프로세스이다. 그리고 소비자는 10에서 1을 빼는 프로세스라고 가정한다. 이 상황에서 생산자를 10만번, 소비자를 10만번 동시에 수행한다고 하자.

실행 결과, 빼고 더하는 것을 반복하니 총합은 그대로 10일것을 예상하지만.. 아니다.

 

생산자와 소비자는 '총합'이라는 데이터를 동시에 사용하는데, 소비자가 생산자의 작업이 끝나기 전에 총합을 수정하거나, 생산자가 소비자의 작업이 끝나기 전에 총합을 수정하기 때문에 엉뚱한 결과가 나온다.

 

이는 공유 자원에 두 개 이상의 프로세스가 동시에 접근하기 때문에 발생하는 문제이다.

 

Q4. 공유 자원과 임계 구역 문제가 무엇인가요

공유 자원 : 여러 프로세스들이 공동으로 이용하는 자원. (전역변수가 될 수도 있고, 파일이 될 수도 있다.)

임계 구역 : 공유자원에 접근하는 코드 중 동시에 실행하면 문제가 발생하는 코드 영역.

 

Q5. 임계 구역 문제를 해결하기 위한 세 가지 원칙

1) 상호 배제 (mutual exclusion) : 한 프로세스가 임계 구역에 진입했다면 다른 프로세스는 기다려야 한다

2) progress : 임계 구역에 어떤 프로세스도 진입하지 않았다면, 진입하고자 하는 어떤 프로세스는 진입할 수 있어야 한다

3) 유한 대기 (bounded waiting) : 임계 구역에 진입하길 원하는 프로세스가 있다면, 언젠가는 들어갈 수 있어야 한다 (무한정 대기해서는 안된다)

 

Q6. 임계 구역 문제를 해결하기 위한 동기화 기법

1) 뮤텍스 락 : 동시에 접근해서는 안되는 자원에 동시에 접근하지 않도록 만드는 도구. 상호배제를 위한 동기화 도구.

 

임계 구역에 진입하는 프로세스는 '내가 지금 임계 구역에 있음'을 알리기 위해 뮤텍스 락을 이용해 자물쇠를 걸어둘 수 있다. acquire() 과 release() 이용. -> acquire() 함수는 임계 구역이 잠겨있을 때, 임계 구역이 열릴 때까지 반복적으로 확인한다. (busy wait)

 

2) 세마포어 : 뮤텍스 락과 비슷하지만, 더 일반화된 방식의 동기화 도구. 뮤텍스 락이 하나의 공유 자원을 보호하는 도구라면, 세마포어는 여러 개의 공유 자원을 보호하는 도구.

 

세마포어는 이진 세마포어(binary semaphore)와 카운팅 세마포어(counting semaphore)가 있다. 이진 세마포어는 뮤텍스 락과 비슷한 개념이므로 카운팅 세마포어를 보자.

 

<세마포어의 구성>

- 사용 가능한 공유 자원의 개수를 나타내는 전역 변수 S

- 임계 구역에 들어가도 좋은지, 기다려야 할 지를 알려주는 wait() 함

- 임계 구역을 기다리는 프로세스에게 '이제 가도 좋다'고 신호를 주는 signal() 함수

 

3) 모니터 : 세마포어에 비해 사용자가 사용하기 편리한 동기화 도구. 세마포어는 매번 임계 구역 앞뒤로 일일이 wait과 signal 함수를 명시해야 하는데, 이는 굉장히 번거롭고, wait -> signal 순서를 지키지 않을 수 있다. 즉, 프로그래머의 실수 발생 확률이 높다. 모니터는 이를 개선한 방법으로, 큐(queue)를 이용해 공유 자원에 접근하기 위한 통로를 관리한다.

 

모니터를 통해 공유 자원에 접근하고자 하는 프로세스를 큐에 삽입하고, 큐에 삽입된 순서대로 하나씩 공유 자원을 이용하도록 한다. (모니터 안에는 항상 하나의 프로세스만 들어오도록 하여 상호 배제를 제공한다)

 

모니터

 

Q7. 교착상태란 무엇인지 

식사하는 철학자 문제로 교착상태를 설명할 수 있다. 

동그란 원탁에 다섯명의 철학자가 앉아있고, 철학자들 앞에는 음식과 포크가 있다.

두 개의 포크를 모두 집었을 때 음식을 먹을 수 있다고 가정할 때, 모든 철학자가 동시에 한 포크씩을 들면 아무도 식사를 할 수 없게 되는 상황이 발생한다. 모든 철학자는 다른 철학자가 포크를 내려놓을 때까지 기다린다.

 

이렇게 일어나지 않을 사건을 기다리며 진행이 멈추어버리는 현상을 교착 상태라고 한다.

 

식사하는 철학자 문제에서, 철학자는 프로세스 혹은 스레드, 포크를 자원으로 빗대어 볼 수 있다.

 

Q8. 교착상태를 어떻게 해결할 수 있는지

- 교착상태가 발생하는 네 가지 조건 중 하나라도 해결한다 (점유, 대기, 비선점, 원형 대기)

- 회피한다 (Banker's algorithm : 데드락이 발생하지 않는 안전한 상태를 미리 판별하는 알고리즘) - 데드락이 발생하는 상황이 매우 희박한데, 매번 미리 판별하는건 비효율적이다.

- 무시 -> 가장 현실적인 방법

 

Q9. 스와핑이 무엇인지

메모리를 효율적으로 이용하는 방법. 메모리에 적재된 프로세스들 중 현재 실행되지 않는 프로세스를 디스크로 쫒아내고, 실행할 프로세스를 메모리로 들여보내는 메모리 관리 기법.

 

프로세스들이 쫓겨나는 보조기억장치의 일부 영역을 스왑 영역이라고 한다. 반대로 스왑 영역에 있던 프로세스가 다시 메모리로 옮겨지는 것을 스왑 인이라고 한다.

 

Q10. 연속 메모리 할당 기법과 외부 단편화 문제

연속 메모리 할당 기법 : 각각의 프로세스에 연속적인 메모리 공간을 할당하는 방식.

외부 단편화 문제 : 메모리에 남아 있는 빈 공간의 합은 프로세스가 필요한 메모리 공간보다 크지만, 빈 공간이 파편화되어 프로세스를 적재할 수 없는 현상.

 

Q11. 가상 메모리 관리 기법인 페이징의 개념과 작동에 대해

가상 메모리 : 실행하고자 하는 프로그램을 일부만 메모리에 적재하여 실제 물리 메모리 크기보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있게 하는 기술

 

가상 메모리 관리 기법에는 페이징과 세그멘테이션이 있지만, 현대 대부분의 운영체제가 페이징 기법을 다룬다.

+) 왜?

세그멘테이션은 고정 사이즈가 아니기 때문에 순수 세그멘테이션을 쓰려면 best fit, worst fit 을 해야한다 -> 복잡하다

세그멘테이션 방식 대신 페이징을 사용하므로써 내부 단편화를 줄일 수 있다. (하이브리드 방식을 사용하기도 한다!)

 

페이징 기법을 사용하면 물리 메모리보다 큰 프로세스를 실행할 수 있을 뿐만 아니라 외부 단편화 문제도 해결할 수 있다.

연속 메모리 할당 방식에서 외부 단편화가 생긴 이유는 각기 다른 크기의 프로세스가 메모리에 연속적으로 할당 되었기 때문이었다.

 

페이징 : 메모리와 프로세스를 일정한 단위로 자르고, 이를 메모리에 불연속적으로 할당하는 방식.

페이징은 프로세스의 논리 주소 공간을 페이지(page)라는 일정한 단위로 자르고, 메모리 물리 주소 공간을 프레임(frame)이라는 페이지와 동일한 크기의 단위로 자른 뒤, 페이지를 프레임에 할당하는 기법이다.

 

페이징

 

페이징에서도 스와핑을 사용할 수 있다. 

메모리에 적재될 필요가 없는 페이지들은 보조기억장치로 스왑 아웃되고, 실행에 필요한 페이지들은 메모리로 스왑 인 되는 것이다. 즉, 한 프로세스를 실행하기 위해 프로세스 전체가 메모리에 적재될 필요가 없다는 말과 같다.

 

프로세스를 이루는 페이지 중 실행에 필요한 일부 페이지만을 메모리에 적재하고, 당장 실행에 필요하지 않은 페이지들은 보조기억장치에 남겨둘 수 있다. 이와 같은 방식을 통해 물리 메모리보다 더 큰 프로세스를 실행할 수 있다.

 

페이징에서 스와핑

 

프로세스가 메모리에 불연속적으로 배치되어 있기 때문에 CPU 입장에서 이를 순차적으로 실행할 수 없다.

이를 해결하기 위해 "페이지 테이블" 개념이 등장한다. 프로세스가 비록 (실제 메모리 내의 주소인) 물리 주소에 불연속적으로 배치되더라도 (CPU가 바라도는 주소인) 논리 주소에는 연속적으로 배치되도록 페이지 테이블을 이용한다.

 

페이지 테이블

 

Q12. 내부단편화란?

페이징 방식에서, 프로세스를 일정한 페이지 크기로 자른다고 했다. 하지만 모든 프로세스의 크기가 페이지의 배수는 아니다. 페이지 내에서 발생하는 메모리 낭비를 내부 단편화라 한다.

 

페이징은 메모리를 일정한 단위로 잘라 불연속적으로 할당함으로써 외부 단편화 문제를 해결했지만, 내부 단편화 문제를 해결하지 못한다.

 

Q12. 요구 페이징의 개념과 페이지 교체 알고리즘

요구 페이징 : 프로세스를 메모리에 적재할 때, 처음부터 모든 페이지를 적재하지 않고 필요한 페이지만을 메모리에 적재하는 기법 (말그대로, 실행에 요구되는 페이지만 적재)

 

 

Q13. 스래싱과 그를 해결하기 위한 프레임 할당에 대해

스래싱 : 페이지 폴트가 자주 발생하여 CPU 이용률이 급격하게 증가하는 것.

 

+) 스래싱을 방지하기 위한 방법

1. 페이지 교체 알고리즘을 잘 설계해야 한다. ?

2. 워킹셋 알고리즘 - 캐시의 지역성을 고려해서 윈도우 크기만큼 한꺼번에 넣었다 빼는 것

 

Q14. 내부 단편화 외부 단편화가 무엇인지와 각각의 해결 방법

내부단편화

- ??

- 즉, 할당받은 메모리를 사용하지 못하는 것

 

외부단편화

- ??

- 즉, 할당받지 않은 메모리를 사용하지 못하는 것

 

내부 단편화 해결 방법 :

세그멘테이션

 

외부 단편화 해결 방법 :

페이징 기법을 사용하면 물리 메모리보다 큰 프로세스를 실행할 수 있을 뿐만 아니라 외부 단편화 문제도 해결할 수 있다.

연속 메모리 할당 방식에서 외부 단편화가 생긴 이유는 각기 다른 크기의 프로세스가 메모리에 연속적으로 할당 되었기 때문이었다.

 

Q15. 캐시의 지역성에 대해

- 시간 지역성 : 한 번 액세스 된 데이터 근처에 있는 데이터에 다시 접근할 확률이 높다.

- 공간 지역성 : 가장 최근에 사용된 데이터들을 다시 사용할 확률이 높다.

+) 시간 지역성 살리는 것 : LRU

공간 지역성 살리는 것 : Prepaging (미리 올리는 것)

 

Q16. 보안과 보호의 차이점

보안 : (해킹 방어)

보호 : 자원에 접근하는 프로세스를 제한 (권한 관리)

 

Q17. MMU의 역할?

가상 주소를 물리 주소로 변환한다.

+) 변환하는 방법?

MMU가 페이지 테이블에 접근해서 물리주소를 찾는다. 

 

Q18. TLB를 써야하는 이유?

페이지 테이블과 페이지가 둘 다 메모리에 있어서 느리다.

-> 캐시에 존재하는 페이지 테이블이 TLB이다.

 

Q19. 페이징과 세그멘테이션의 차이?

페이징은 고정길이, 세그멘테이션은 가변길이

페이징은 내부단편화가 발생할 수 있다. 힙, 스택, 코드를 각각 .. 하는게 하이브리드 방식.

+) 그럼 하이브리드 방식을 사용하면 단편화가 발생하지 않나? 발생하지만 단편화의 양이 적어진다 

 

Q20. 스레드간 PC(프로그램 카운터) 레지스터는 왜 독립적으로 사용하나?

 

Q21. 페이지 폴트가 일어날 때 무슨일이 일어날까?

TLB 확인

-> 없으면 페이지 테이블

-> valid bit 체크해서 0일때가 페이지 폴트(메모리에 없는 경우)이다.

-> 페이지 폴트가 발생하면 디스크에서 가져온다

-> 백킹스토어에 있는 페이지를 메모리에 올린다

-> 페이지 테이블에 올라왔다고 valid bit 1로 표시

 

+) 요구페이지의 단점? 페이지 폴트가 발생할 수 있다. -> 페이지 폴트 개념으로 이어질 수도,,,

 

Q22. 메모리 계층 구조를 분리해야 하는 이유?

1. 성능이 좋은 CPU가 더 빨리 접근할 수 있다.

2. 그리고 성능이 좋은건 비싸다

3. 자주 쓰이는 데이터는 계속 자주 쓰인다. 자주 쓰이는 데이터는 전체 데이터 양에 비해 작은 양이다

-> 컴퓨터의 비용을 낮추고 속도를 높이기 위해 분리한다.

 

+) 메모리의 계층 구조

레지스

캐시 (L1, L2, L3)

메모리

하드디스크

 

Q23. 64비트 운영체제에서 32비트 프로그램이 돌아갈까?

 

Q24. JVM의 메모리 누수에 대해

GC가 메모리 회수를 못하는 경우 Memory Leak(메모리 누수)가 발생하고 지속되면 OOM(Out of Memory)나 Can not allocate memory가 발생할 수 있다

→ 애플리케이션은 그대로 멈추거나 종료되므로 대응할 필요가 있다

 

참조 유지에 의한 메모리 릭

자바에서 메모리는 최종적으로 Old Generation에서 회수되는데, 이 때 아직 참조유지에 대해 객체가 살아있는 경우 객체는 계속해서 Old 영역에 쌓이고 이를 회수하기 위해 Major GC가 반복되다 결국 OOM 에러가 발생한다

→ 참조유지에 의한 메모리 릭을 파악하고 해결하는 것이 필요

 

메모리 릭 확인

객체 중 어떤 객체가 메모리 릭을 발생시키는지 파악할 수 있어야하는데,

일반적인 메모리 점유율로는 파악할 수는 없어 Heap-Dump라는 방법을 사용한다.

 

https://velog.io/@agugu95/JVM-Memory-Leak-메모리-누수

JVM Memory Leak, 메모리 누수

 

+) Heap-Dump 떠본적 있나요?

https://juneyr.dev/jvm-heap-dump

나의 첫 JVM heap dump 뜨기

 

Q25. 레이드란?

데이터 손실을 대비하여 여러 디스크에 나눠서 데이터를 쓰는 방식(정책)

 

RAID 0 - 스트라이핑 - 병렬로 연결된 여러개의 디스크에 데이터를 나눠서 입출력

RAID 1 - 미러링 - 모든 데이터가 순수 복제됨

 

+) 5,6부터 패리티 비트가 들어간다 (5를 가장 많이 쓴다)

(레이드 0,4,5,6 세 개만 쓰고 1,2,3은 도태됨)