*운영 체체(+주홍철)_복습(3)

 

※ 운영 체체(+주홍철)_복습(3)

 

 

 

프로세스와 스레드

 : 프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말한다.

 : CPU 스케줄링의 대상이 되는 "작업"이라는 용어와 거의 같은 의미이다.

 : 스레드는 프로세스내 작업의 흐름을 지칭한다.

 : 프로그램(HDD,SSD)이 메모리(RAM)에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어난다. 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.

 

프로세스와 컴파일 과정

 : 프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 "인스턴스화된 것"을 말한다.

컴파일 과정

 : 전처리 - 소스 코드의 주석을 제거하고, #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.

 : 컴파일러 - 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다.

 : 어셈블러 - 어셈블리어는 목적 코드(object code)로 변환한다. 이때 확장자는 운영체제마다 다른데 리눅스는 .o이다.

ex) 가영.c 라는 파일을 만들었을 때 가영.o라는 파일이 만들어지게 된다.

 

링커

 : 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다. (.exe or .out)

 

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

 : 정적 라이브러리 - 프로그램 빌드시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식이다. 

장점 : 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮다.

단점 : 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어진다.

 

프로세스의 상태 > 생성 상태

 : 프로세스가 생성된 상태

 : fork(), exec() 함수를 통해 생성

 : PCB 할당

 

fork()

 : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하여, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. 

 : 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않는다. 

 

exec()

 : 새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

 

대기 상태

 : 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.

 

대기 중단 상태

 : 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

 

실행 상태

 : CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미한다. (CPU burst가 일어났다고도 한다.)

 

중단 상태

 : 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태이다. 

 

일시 중단 상태

 : 대기 중단과 유수하며, 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만, 메모리 부족으로 일시 중단 상태이다.

 

종료 상태

 : 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태이다.

 

프로세스의 메모리 구조

 : 스택, 힙, 데이터 영역(BSS), 코드 영역으로 나눠진다.

 : 스택은 위 주소부터 할당되고, 힙은 아래 주소부터 할당된다.

 

스택과 힙

 : 동적 할당이 된다.

 : 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것이다.

 : 스택은 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역이다.

 : 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않는다.

 : 힙은 동적으로 할당되는 변수들을 담는다. malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있으며, 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우

 힙  영역을 사용한다.

 

데이터 영역과 코드 영역
 : 정적 할당이 된다.
 : 정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것
 : 데이터 영역은 BSS 세그먼트와 Data 세그먼트, code/text 세그먼트로 나뉘어서 저장

 

PCB
 : 운영체제에서 프로세스에 대한 메타 데이터를 저장한 데이터
 : 프로세스 제어 블록이라고 한다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.
**메타데이터 
 : 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로
   찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터

 

PCB의 구조
 : 프로세스 스케줄링 상태 - 준비, 일시중단 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
 : 프로세스 ID - 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID, 
 : 프로세스 권한 - 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
 : 프로그램 카운터 - 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
 : CPU 레지스터 - 프로세스를 실행하기 위해 저장해야할 레지스터에 대한 정보
 : CPU 스케줄링 정보 - CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
 : 계정 정보 - 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
 : I/O 상태 정보 - 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭
 : PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정

멀티프로세싱
 : 여러 개의 프로세스 즉, 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
 : 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있다.
 : 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다.

웹 브라우저
 : 멀티프로세스 구조를 가지고 있다.
 [웹 브라우저의 멀티프로세스 구조]
 : 브라우저 프로세스 - 주소 표시줄, 북마큼 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당한다.
 : 랜더러 프로세스 - 웹 사이트가 "보이는" 부분의 모든 것을 제어
 : 플로그인 프로세스 - 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어
 : GPU 프로세스 - GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

IPC
 : 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다.
 [IPC의 종류]
 : 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다.
 : 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다. 

공유 메모리
 : 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것

파일
 : 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말하며 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.

소켓
 : 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.

익명 파이프
 : 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식

명명된 파이프
 : 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프를 말한다. 

메시지 큐
 : 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미. 
 : 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를
 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점

스레드와 멀티스레싱
스레드
 : 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
 : 여러 스레드를 가질 수 있다.
 : 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유하고, 그 외의 영역은 각각 생성된다.

멀티스레딩
 : 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높습니다.
 : 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태 --> 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다.
 : 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.
**동시성 : 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것

공유 자원과 임계 영역
공유 자원
 : 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미
 : 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다.

임계 영역
 : 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말합니다. 
 [해결하기 위한 방법] 
 : 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족합니다. 
 : 해당 방법 토대가 되는 메커니즘은 잠금입니다.
**상호배제 : 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
**한정대기 : 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못 하면 안 된다.
**융통성 : 만약 어떠한 프로세스도 임계 영역을 사용하지 않는다면 임계 영역 외부의 어떠한 프로세스도 들어갈 수 있으며 이 때 프로세스끼리 서로 방해하지 않는다.

뮤텍스
 : 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체
 : 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없다.( 그 반대도)
 : 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가진다.

세마포어
 : 일반화된 뮤텍스
 : 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수라고도 함) 및 signal(V 함수라고도 함)로 공유 자원에 대한 접근을 처리
 : wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
 : signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수

모니터
 : 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공

교착 상태
 : 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

교착 상태의 원인
 : 상호 배제 - 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다.
 : 점유 대기 - 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
 : 비선점 - 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없습니다.
 : 환형 대기 - 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.

교착 상태의 해결 방법
 (1) 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
 (2) 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원할당 가능 여부를 파악하는 "은행원 알고리즘"을 씁니다.
 (3) 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
**은행원 알고리즘
 : 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘

CPU 스케줄링 알고리즘
 : CPU 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스에서 해야 하는 일을 스레드 단위로 CPU에 할당한다.
 : 어떤 프로그램에 CPU 소유권을 줄 것인지 결정
  - CPU 이용률은 높게, 주어진 시간에 많은 일을 하게, 준비 큐에 있는 프로세스는 적게, 응답 시간은 짧게 설정하는 것을 목표

비선점형 방식
 : 프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식이며, 강제로 프로세스를 중지하지 않습니다.
 : 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적습니다.

FCFS
 : 가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
 : 길게 수행되는 프로세스 때문에 준비 큐에서 오래 기다리는 현상이 발생하는 단점이 있다.

SJF
 : 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘
 : 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상이 일어나며 평균 대기 시간이 짧습니다.

우선순위
 : 기존 SJF 스케줄링의 경우 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상이 있다.
 이 단점을 오래된 작업일수록 우선순위를 높이는 방법을 사용해 보완한 알고리즘이다.
 : FCFS, 선점형, 비선점형적인 것을 말하기도 한다.

선점형 방식
 : 현대 운영체제가 쓰는 방식으로 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식

라운드 로빈
 : 현대 컴퓨터가 쓰는 선점형 알고리즘 스케줄링 방법으로 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 가는 알고리즘

SRF
 : 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘

다단계 큐
 : 우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것 
 : 큐 간의 프로세스 이동이 안 되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어지는 특징이 있다.