[면접을 위한 CS 전공지식 노트] 운영체제

Part. CS

강의로 수강하려고 했지만, 생각보다 너무 지루해서 "면접을 위한 CS 전공지식 노트"라는 책으로 공부하려고 한다.

 

운영체제와 컴퓨터

 

운영체제의 역할

(1) CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지

(2) 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 하는가

(3) 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리

(4) I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리

 

운영체제의 구조

참고 : GUI가 없고 CUI만 있는 리눅스 서버도 존재한다.

GUI : 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용
드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
CUI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스

 

시스템 콜

운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용

 

ex)

유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널 모드로 변환되어 실행된다.

 

I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 파일 읽는 함수가 발동했다고 가정

유저 모드에서 파일을 읽지 않고, 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행한다.

 

I/O 요청 : 입출력 함수, 데이터베이스, 네트워크, 파일 접근 등에 관한 일
드라이버 : 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어

 

프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달된다.

 

시스템콜은 하나의 추상화 계층이다. 이를 통해 네트워크 통신이나 데이터베이스와 같은 낮은 단계의 영역 처리에 대한 부분을 많이 신경 쓰지 않고 프로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

 

modebit

시스템 콜이 작동될 때 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.

modebit은 1또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다. 0은 커널 모드, 1은 유저 모드라고 설정된다.

 

유저 모드 : 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 컴퓨터 자원에 함부러 침범하지 못하는 모드
커널 모드 : 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드
커널 : 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 디바이스 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할

 

컴퓨터의 요소

CPU, DMA, 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.

 

CPU(Central Processing Unit)

산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치

인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼

 

관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리한다.

 

제어장치

프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품이다.

입출력 장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정한다.

 

레지스터

CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치를 가리킨다.

CPU에 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠르다.

CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달한다.

 

산술논리연산장치(Artihmetic Logic Unit)

덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로

순서
(1) 제어장치가 메모리에 계산할 값을 로드한다. 레지스터에도 로드한다.

(2) 제어장치가 레지스터에 있는 값을 계산하라고 산술논리연산장치에 명령한다.

(3) 제어장치가 계산된 값을 다시 레지스터에서 메모리로 계산한 값을 할당한다.

 

인터럽트

어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠깐 정지시키는 것을 말한다.

키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생한다.

인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여 있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행된다.

인터럽트 간에는 우선순위가 존재하고, 우선순위에 따라 실행되며, 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 2가지로 나뉜다.

인터럽트 핸들러 함수
인터럽트가 발생했을 때 이를 핸들링하기 위한 함수, 커널 내부의 IRQ를 통해 호출되며 request_irq()를 통해 인터럽트 핸들러 함수를 등록할 수 있다.

 

하드웨어 인터럽트

키보드를 연결한다거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트를 말한다.

 

소프트웨어 인터럽트

소프트웨어 인터럽트는 트랩이라고도 한다.

프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동한다.

 

DMA 컨트롤러

I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치를 뜻한다.

CPU에만 너무 많은 인터럽트 요청이 들어오기 때문에, CPU부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼 역할을 한다.

하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지한다.

 

메모리

전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며, 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고 한다.

CPU는 계산을 담당하고, 메모리른 기억을 담당한다.

 

공장 비유

CPU : 일꾼
메모리 : 작업장 - 작업장의 크기 = 메모리의 크기

작업장이 클수록 창고에서 물건을 많이 가져다놓고 많은 일을 할 수 있듯이 메모리가 크면 클수록 많은 일을 동시에 할 수 있다.

 

타이머

몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간제한을 다는 역할을 한다.

 

디바이스 컨트롤러

컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU를 말하고 옆에 붙어 있는 로컬 버퍼는 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리를 뜻한다.

 

캐시히트와 캐시미스, 가상메모리 작성해야함

 

메모리

CPU는 메모리에 올라와 있는 프로그램의 명령어들을 실행할 뿐이다.

 

메모리 계층

레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성

 

레지스터 : CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적다.

캐시 : L1,L2 캐시를 지칭한다. 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적다. L3캐시도 존재한다.

주기억장치 : RAM을 가리킨다. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통이다.

보조기억장치 : HDD, SSD를 일컬을며 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량이 많다.

 

램은 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장하고 이를 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할을 한다.

계층 위로 올라갈수록 가격은 비싸지는데 용량은 작아지고 속도는 빨라지는 특징이 있다.

 

왜 계층이 존재하는가? 경제성과 캐시때문이다.

16GB RAM이 16GB SSD보다 훨씬 비싸다.

 

일상생활 예시

게임을 실행하다 보면 '로딩 중'이라는 메시지가 나온다.

이는 하드디스크 또는 인터넷에서 데이터를 읽어 RAM으로 전송하는 과정이 아직 끝나지 않음을 의미한다.

 

스레싱

메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미하며,  컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래한다.

스레싱은 메모리에 너무 많은 프로세스가 동시에 올라가게 되면 스와핑이 많이 일어나서 발생하는 것이다.

 

페이지 폴트가 일어나면 CPU 이용률이 낮아진다.

CPU 이용률이 낮아지게 되면 운영체제는 "CPU가 한가한가?"라고 생각하여 가용성을 더 높이기 위해 더 많은 프로세스를  메모리에 올리게 된다. 이러한 상황이 악순환이 반복되면 스레싱이 일어나게 된다.

 

해결 방안

메모리를 늘리거나, HDD를 사용한다면 HDD를 SSD로 바꾸는 방법이 있다.

운영체제에서 이를 해결할 수 있는 방법은 작업 세트, PFF가 있다.

 

작업 세트

프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것이다.

미리 메모리에 로드하면 탐색에 드는 비용을 줄일 수 있고, 스와핑 또한 줄일 수 있다.

 

PFF

페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법

상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고, 하한선에 도달한다면 프레임을 줄이는 것

 

메모리 할당

메모리에 프로그램을 할당할 때는 시작 메모리 위치, 메모리의 할당 크기를 기반으로 할당한다.

연속 할당과 불연속 할당으로 나뉜다.

 

연속 할당

메모리에 연속적으로 공간을 할당하는 것을 말한다.

메모리를 미리 나누어 관리하는 고정 분할 방식과 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할하여 사용하는 가변 분할 방식이 있다.

 

고정 분할 방식

메모리를 미리 나누어 관리하는 방식, 메모리가 미리 나뉘어 있기 때문에 융통성이 없다. 내부 단편화가 발생한다.

 

가변 분할 방식

매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용한다.

내부 단편화는 발생하지 않고, 외부 단편화는 발생할 수 있다.

최초적합(first fit), 최적적합(best fit), 최악적합(worst fit)이 있다.

이름	설명
최초 적합	위쪽이나 아래쪽부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당
최적 적합	프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당
최악 적합	프로세스의 크기와 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당

 

내부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
외부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
홀 : 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간

 

불연속 할당

메모리를 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 불연속 할당인 페이징 기법이 있다.

메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누고 프로그램마다 페이지 테이블을 두어 이를 통해 메모리에 프로그램을 할당하는 것이다.

페이징 기법 말고도 세그멘테이션, 페이지드 세그멘테이션이 있다.

 

페이징

동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당한다.

홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해진다.

 

세그멘테이션

페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식이다.

프로세스를 이루는 메모리는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 이루어지는데, 코드와 데이터로 나누거나 코드 내의 작은 함수를 세그먼트로 놓고 나눌 수도 있다.

공유와 보안 측면에서 장점을 가지지만 홀 크기가 균일하지 않다는 단점이 있다.

 

페이지드 세그멘테이션

프로그램을 의미 단위인 세그먼트로 나눠 공유나 보안 측면에 강점을 두고 임의의 길이가 아닌 동일한 크기의 페이지 단위로 나누는 것

 

페이지 교체 알고리즘

메모리는 한정되어 있기 때문에 스와핑이 많이 일어난다.

스와핑은 많이 일어나지 않도록 설계되어야 하며 이는 페이지 교체 알고리즘 기반으롸 스와핑이 일어난다.

 

오프라인 알고리즘

먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘, 가장 좋은 방법

그러나, 미래에 사용되는 프로세스를 우리가 알 수 있을까? 알 수 없다.

사용할 수 없는 알고리즘이지만 가장 좋은 알고리즘이므로 다른 알고리즘과의 성능 비교에 대한 상한 기준을 제공한다.

 

FIFO

FIFO(First In First Out)은 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법

 

LRU

LRU(Least Recent Used)는 참조가 가장 오래된 페이지를 바꾼다.

오래된 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점이 있다.

LRU를 구현할 때는 보통 두 개의 자료 구조로 구현한다. 해시 테이블, 이중 연결 리스트이다.

해시 테이블은 이중 연결 리스트에서 빠르게 찾을 수 있도록 쓰고, 이중 연결 리스트는 한정된 메모리를 나타낸다.

 

C++로 구현한 코드

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;

class LRUCache {
	list<int> li;
    unorderd_map<int, list<int>::iterator> hash;
    int csize;
    
public:
	LRUCache(int);
    void refer(int);
    void display();
};

LRUCache::LRUCache(int n){
	csize = n;
}

void LRUCache::refer(int x){
	if(hash.find(x) == hash.end()){
    	if(li.size() == csize){
        	// 가장 끝에 있는 것을 뽑아낸다.
            int last = li.back();
            li.pop_back();
            hash.erase(last);
        }
    }else {
    	li.erase(hash[x]);
    }
    // 해당 페이지를 참조할 때
    // 가장 앞에 붙인다. 또한 이를 해시 테이블에 저장한다.
    li.push_front(x);
    hash[x] = li.begin();
}

 

NUR

LRU에서 발전한 NUR(Not Used Recently) 알고리즘이 있다.

일명 clock 알고리즘이라고 하며 먼저 0과 1을 가진 비트를 둔다. 1은 최근에 참조되었고 0은 참조되지 않음을 의미한다.

시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘이다.

 

LFU

LFU(Least Frequently Used)는 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체한다.

많이 사용되지 않은 것을 교체한다.

 

프로세스와 스레드

프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며, CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업이라는 용어와 같은 의미

스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭

 

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.

 

프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 말한다.

ex) 구글 크롬 프로그램을 두번 클릭하면 구글 크롬 프로세스로 변환되는 것

 

컴파일 과정

C언어를 기준으로 봤을때, 컴파일러가 컴파일 과정을 통해 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만들게 된다.

전처리

소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.

 

컴파일러

오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다.

 

어셈블러

어셈블리어는 목적 코드로 변환된다. 이때 확장자는 운영체제마다 다른데 리눅스에서는 .o이다.

 

링커

프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 파일을 만든다.

실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out이라는 확장자를 갖는다.