[CS] 운영체제_프로세스, 메모리 (Feat. Elice 11주차)

운영체제(OS)

등장배경

처음엔 하드웨어의 종류가 적어 통제가 가능했으나 점차 하드웨어의 종류가 많아지고 다양한 용도로 사용되면서, 개발자가 모든 하드웨어의 구조와 회로를 배우는 것이 불가능하게 되었다. 프로그램이 하드웨어 위에서 잘 실행될 수 있도록 도와주기 위해서 등장한 것이 운영체제.

 

: 하드웨어를 포함한 리소스를 제어하고 프로그램을 실행해주는 시스템 소프트웨어

• 시스템 리소스: 시스템 자원
• 컴퓨터에서의 자원: 어떤 목적에 이용할 수 있는 하드웨어를 포함한 모든 것
• ‘리소스’의 99% → 메모리를 의미
• 각 응용프로그램마다 할당된 리소스가 존재
• 응용프로그램은 다른 응용프로그램의 리소스를 강제로 사용할 수 없음

⇒ 응용프로그램이 실행되기 위해 누군가 리소스를 정해주고 각 프로그램이 다른 프로그램의 리소스를 강제로 사용할 수 없도록 누군가 막고 있음 → “운영체제”

 

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운영체제의 기능

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1. 프로세스 관리

• 리소스 관리: 프로세스에 필요한 리소스 할당(주거나 사용 안하면 뺏음)
• 프로세스 상태관리: 각 프로세스의 상태를 관리
• 멀티 프로세싱: 동시에 여러 프로세스를 실행

2. 메모리 관리

• 메모리에 프로그램을 올리고 프로세스에게 필요한 메모리를 할당
• 가상 메모리: 실제 주소가 아닌 가상의 주소로, 실제 메모리가 적어도 프로세스를 실행할 수 있도록 도와줌
  • ex. 안심번호. 택배기사님이 실제 번호가 아닌 안심번호를 사용한다면 개인 정보도 보호되고 안심번호를 연속되게 설정함으로써 여러 사람에게 문자를 보낼 때 더욱 빠르게 전송 가능
  • 정보보호: 프로세스가 실제 주소를 모르기에 메모리 주소를 악용한 침범이 불가능함
  • 연속주소 제공: 프로세스가 보는 주소는 연속된 주소로 처리할 수 있어서 효율적인 처리 가능

3. 파일 시스템 관리

• 어떤 방식을 사용하던지 프로그램에서 고민하지 않고 읽고 쓰게 해주는 기능

4. 네트워크 관리

• 프로토콜을 지원하여 통신이 가능하도록 함
• 프로토콜: 네트워크 상의 컴퓨터끼리 통신하는 규칙
• 포트를 관리하여 이미 사용중인 포트는 사용할 수 없도록 제어

 

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✅ 프로세스

• 프로세스: 실행 중인 프로그램
• 프로그램: 특정 작업을 수행하는 명령어들의 모음 → 프로그램이 실행되는 프로세스
• 스레드: 프로세스 안에서 실행되는 흐름 단위 → 프로세스에는 하나 이상의 스레드가 존재
• 프로세스 vs 스레드
  • 프로세스는 독립적인 메모리를 할당 받음. 스레드는 프로세스 속에 있는 것으로 프로세스가 받은 메모리를 공유

 

• 프로세스의 구조
  • 스택
    • 임시 데이터(함수 호출, 로컬 변수 등)이 저장되는 영역
    • 함수의 호출과 함께 할당되고, 호출이 완료되면 소멸
    • 프로세스별로 크기 제한
    • 데이터 저장하는 선형 자료 구조. LIFO 방식
  • 힙
    • 코드에서 동적으로 생성되는 데이터가 저장되는 영역
    • 동적 메모리 할당을 위해 사용되는 메모리 영역
    • 사용자가 직접 관리할 수 있는 메모리 영역
    • 상대적으로 느리며 관리를 잘못할 경우 메모리 누수 발생
      • 메모리 누수: 할당해놓고는 사용하지 않은 채로 냅두는 것.
  • 데이터 → 크기 고정
    • 전역 변수, 정적변수, 배열, 구조체 등이 저장되는 영역
    • 프로그램의 시작과 함께 할당되고 프로그램 종료되면 소멸
    • 프로그램이 시작되는 시점부터 종료 시점까지 추가되거나 사라지지 않는 공간
  • 코드 → 크기 고정
    • CPU가 볼 수 있는 언어로 기록된 코드들로, 실행할 명령어를 저장하는 영역
    • 실행되는 시점에는 읽기 전용 영역이 되어서 수정이 불가능함

※ 정적할당: 실행 중에 변하지 않는다. 실행 전에 미리 메모리를 할당. 할당받을 크기가 미리 정해져 있음.→ 정적할당이 동적할당보다 속도가 빠름

※ 동적할당: 실행 중에 변한다. 실행 도중에 메모리를 할당. 실행 도중에 할당 받을 크기가 변할 수 있음.

 

 

• 프로세스의 상태

  

  https://yoongrammer.tistory.com/51

   
  • 생성(New) → “번호표 들고 식당밖에서 대기”
    • 준비 상태로 메모리에 올라가지 않은 상태
    • 대부분 바로 준비상태로 승인되지만, 리소스가 부족하면 오래 대기할 수 있음.
  • 준비(Ready) → “식당에 들어가서 앉아있는 상태”
    • 프로세스가 CPU를 사용하고 있지 않지만 언제든 실행될 수 있도록 대기하는 상태
    • OS는 우선순위가 높은 순서대로 CPU 할당해서 실행 상태로 전이
  • 실행(Running) → “나온 요리 먹는 단계”
    • CPU가 할당되어 프로세스의 명령어들을 처리해주는 단계
    • 동시에 다른 프로세스들을 처리하기 위해 일정시간 이후 다시 준비 상태로 전이
    • 기본적으로 CPU는 한 번에 하나만 실헹할 수 있지만 최근엔 멀티코어라는 기술로 여러 프로세스를 실행시키기도 하지만 각각의 코어도 한 번에 하나의 프로세스를 처리.
  • 대기(Blocked) → “화장실 다녀오는 상태”
    • 프로세스가 특정 자원이나 이벤트를 기다리는 상태
    • 입출력 완료 등 특정 이벤트를 기다리는 상태
    • 이벤트가 완료되면 ready 상태로 옮겨와서 계속 실행
  • 종료(Terminated) → “일어나서 나갈 준비”
    • 모든 명령어가 완료된 상태
    • 부모 프로세스가 상태 확인을 위해 바로 삭제되지 않고 대기
    • 종료가 되었지만 삭제되지 않은 프로세스로 좀비 프로세스라고 부름
    • 이 상태 끝나면 프로세스가 메모리에서 삭제
• 멀티 프로세싱
  • 멀티스레드
    • “한 집안에서 동시에 여러 집안일 처리”
    • 한 프로세스 내에서 자원을 공유하면서 여러 작업 처리 → 하나의 변수를 가지고 각자 작업이 가능
    • 새로 프로세스를 생성하고 리소스를 할당받는 과정이 없어서 더 빠르게 처리 가능
    • 하나의 스레드에 문제가 생기면 프로세스 전체가 종료될 수 있음
  • 멀티 프로세싱
    • “여러 집에서 동시에 여러가지 집안일 하기”
  • 프로세스간 통신(IPC)
    • 다른 집과 접시 효율적으로 주고 받기
    • 다른 프로세스의 리소스는 절대 침범하면 안됨
    • OS가 허용하는 방법내에서 데이터를 주고 받는 방법
    • ex. 메세지 큐, 공유 메모리, 소켓

•  
• 프로세스 스케줄링
  • “어떤 손님부터 음식을 해줄 것인가”
  • 대기 시간은 가능한 최소화, 가능한 공평하게 프로세스 처리
  • 선입선처리
    • “먼저 온 손님부터 순서대로”
    • 먼저 도착한 프로세스부터 순서대로 처리
    • 구현이 간단하고 일괄처리에 효과적
    • 빠른 응답 요구하는 환경에서 부적합
  • 최단 작업 우선
    • “음식을 가장 적게 먹는 손님부터 처리”
    • 평균 대기시간을 최소로 만들기 위한 알고리즘
    • 작업이 얼마나 걸릴지 예측 어렵
    • 오래 걸리는 작업은 매번 양보하면서 평생 처리 완료되지 않을 수 있음
  • 라운드 로빈
    • “모두 일정한 시간동안 순서대로 요리를 해주는 방식”
    • 일정 시간 정해두고 시간 지나면 대기열의 맨 뒤로 보내고 다음 작업 처리
    • 응답시간 짧아지는 장점 있어서 실시간 시스템에 유리
    • 프로세스 간 전환 많아지는 단점
• 교착상태와 기아상태
  • 교착상태
    • 프로세스가 서로 상대방의 작업이 끝나기 만을 기다리고 있는 상태
    • 결과적으로 아무것도 완료되지 않음
    • 발생 조건
    1. 상호배제: 자원을 동시에 둘 이상 사용 불가능
    2. 점유대기: 자원을 이미 가진 상태에서 다른 자원 사용하려고 기다림
    3. 비선점: 다른 프로세스가 자원을 뺏어올 방법 없음
    4. 순환대기: 각 프로세스가 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원 가지고 있음
    → 모두 만족해야 교착 상태 발생. 하나라도 막으면 교착상태 예방 가능
    • 해결
    1. 은행원 알고리즘: 자원을 할당받기 전 운영체제가 검사하고 할당해줌. 자원 할당해달라고 요청하면 프로세스가 교착상태에 빠질 가능성을 판단해서 없을 경우에만 자원을 할당해줌
    2. 교착상태 무시: 아무것도 하지 않음. 자주 발생하는 것이 아니라면 무시를 하는 것이 더 좋을 때도 있음.
    3. 프로세스 종료: 교착상태 발견되면 해당 관련 프로세스를 종료시켜서 해결
    → 아직까지 완벽하게 교착상태를 막을 수 있는 방법은 없음
  • 기아상태
    • 프로세스의 우선순위가 낮아서 원하는 자원을 계속 받지 못하는 상태
    • 모든 프로세스가 처리될 수 있도록 순서를 정하는 것이 중요
    • 우선순위를 수시로 변경하여 계속해서 낮은 우선순위를 가진 프로세스가 없도록 함
    • 오래 기다린 프로세스의 우선순위 높이기
    • 우선순위가 아닌 순서대로 처리

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✅ 메모리

• 메모리 관리
  • 프로그램들이 잘 실행될 수 있도록 메모리를 할당하고 해제하는 작업
  • 각 프로그램의 리소스를 보호
  • 여러 프로세스가 동시에 실행될 수 있도록 메모리 공간을 제공해야 함
  • 용어
    • 방 마다 붙어있는 것: 메모리 주소
    • 손님에게 방을 주는 것: 메모리 할당
    • 손님에게서 방을 다시 가져오는 것: 메모리 해제
  • 연속 할당과 불연속 할당
    • 연속 할당: 한 손님에게 연속된 방번호로 방을 줌 → 구현 더 쉬움
    • 불연속 할당: 방 번호에 상관없이 제공
    • 고정 분할방식
      • 연속 할당 중 한 방식
      • 미리 방을 고정된 길이로 나눠 놓고 손님에게 주는 방식
      • 고정된 길이보다 더 많은 방을 원하는 경우. 방은 남는데 방을 줄 수 없는 상황 → 외부 단편화.
      • 외부 단편화는 메모리를 크게 낭비
      • 고정된 길이보다 더 적은 방을 원하는 경우. 방이 남는 상황 → 내부 단편화
      • 내부 단편화는 할당은 했지만 사용하지 않고 남는 공간이 발생하는 경우
    • 가변 분할 방식
      • 손님마다 다른 방 길이를 받도록 하는 방식
      • 내부 단편화 발생 x
      • 외부 단편화는 여전히 발생(연속해서 줘야하기 때문에)
• 가상 메모리
  • 잘못된 주소에 데이터를 삽입할 수도 있음 → 막기 위해 프로그램 짜는 입장에서 메모리 공간도 신경써야 함 + 사람마다 가진 메모리 공간이 달라서 가지고 있는 메모리가 프로세스보다 작으면 사용 불가능
  • 실제 물리적 주소가 아닌 가상의 주소인 논리적 주소를 프로세스가 사용
  • 모든 프로세스가 고정된 주소를 가질 수 있도록 함
    • 무조건 0번부터 가지게 된다는 의미.
  • 실제 물리적 주소는 운영체제만 접근할 수 있어 리소스를 보호
  • 보조 기억 장치 일부를 메모리처럼 사용할 수 있도록 함
  • 바인딩: 실제주소를 가상의 주소로 매핑하는 것
  • 가상 메모리의 원리: 가상 메모리의 페이지와 물리 메모리를 매핑하는 표를 유지
• 페이징
  • 물리적 메모리와 가상 주소를 연결하는 단위
  • 가상 주소와 물리적 주소를 매핑하는 단위
  • 일반적으로 4KB or 8KB의 크기
  • 메모리는 페이지 단위를 나누고 사용
  • 페이지 테이블: 가상 메모리의 페이지와 물리 메모리를 매핑하는 표
  • 스와핑: 안 쓰는 프로세스는 잠시 하드 디스크에 넣어두고 필요할 때 다시 쓰는 것
  • 프로세스 스와핑
    • 프로세스 단위의 스와핑은 굉장히 비효율적
    • 프로세스가 가진 메모리를 통째로 하드 디스크에 넣는다는 것도 비효율적 & 단편화 문제 발생 → 최근에는 사용 x
    • 더 많은 프로세스를 실행하기 위해서는 사용하지 않는 프로세스를 하드 디스크에 넣어둘 필요 있음
    → 프로세스 단위가 아닌 페이지 단위로 스와핑하도록, 요구 페이징 등장
  • 요구 페이징
    • 페이지 단위로 스와핑하여 당장 필요한 페이지만 메모리에 남겨두는 방법
    • 하드디스크에서 불러오기에 굉장히 느림
    → 다음에 쓸 것 같은 데이터를 빠른 곳에 넣어두고 안쓸 것 같은 데이터는 느린 곳에 넣어두는 것, 캐시 등장
    • 실제 물리 메모리를 하드 디스크의 캐시로 사용하는 기법
  • 캐시
    • “손바닥에 메모”
    • 빠르게 내용 확인 가능
    • 볼펜만 있으면 빠르게 쓰고 지울 수 있음
    • 손바닥에 들어갈 정도의 내용만 적을 수 있음
    • 데이터나 값을 미리 복사해놓는 임시 장소
    • 계산이 오래 걸리는 데이터를 자주 봐야하는 경우 미리 값을 복사해서 시간 절약. 모든 데이터를 넣을 수는 없음
  • 페이징 기법의 문제점: 일정한 크기로 자르기 때문에 내부 단편화 발생
• 세그멘테이션
  • 같은 크기가 아닌, 논리적으로 같은 역할을 하는 부분끼리 다른 크기로 자르는 방법 ex. 꽃에서 잎은 잎끼리, 줄기는 줄기끼리 등
  • 장점
    • 중요한 부분과 아닌 부분을 분리해서 저장 → 효율적
    • 같은 코드 영역은 하나만 저장하고 같은 곳을 가리키도록 하면 중복된 내용 없앨 수 있음
    • 내부 단편화 문제 해결
  • 문제점
    • 크기가 다르게 자르기 때문에 외부 단편화가 발생할 수 있음
    • 일반적으로 외부 단편화가 내부 단편화에 비해 훨씬 큰 공간이 낭비됨
• 페이징 + 세그멘테이션
  • 부위별로 먼저 나눈(세그멘테이션 먼저) 다음 각 부위를 일정 크기대로 자름(프로세스를 코드, 데이터, 스택, 힙으로) + 각 파트마다 페이지 테이블을 줘서 자름
  • 세그멘트를 페이징 기법으로 나누는 방법
  • 세그멘트의 장점 살리면서 외부 단편화 방지
  • 테이블 두번 거쳐야 해서 조금 느려질 수 있음

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✅ 파일 시스템

• 파일
  • 컴퓨터에서 정보를 담는 논리적인 저장 단위
  • 파일은 비휘발성 기억장치에 저장
  • 메타 데이터(: 파일 관리하기 위한 정보들) 포함
• 디렉토리
  • 파일에 대한 여러 정보 갖고 있는 특수한 파일
  • 파일을 계층구조로 관리할 수 있음
  • 검색, 생성, 삭제 등의 기능 제공
• 파일 시스템
  • 파일들을 쉽게 접근할 수 있도록 관리하는 체제
  • 디스크, 네트워크, 특수 용도의 파일 시스템으로 나뉨
  • 운영 체제는 각각 파일 시스템을 가지고 있음
• 디스크 할당
  • 순차 접근 저장장치
    • 앞에서부터 순서대로 읽어야 하는 저장 장치
    • 원하는 지점 찾기 어렵고 빨리 감기와 되감기 기능이 필요
  • 직접 접근 저장장치
    • 헤드를 옮겨 원하는 부분부터 접근 가능
    • 모든 데이터 읽지 않고도 바로 원하는 곳에 접근 가능
  • 하드디스크
    • 하드디스크는 플래터(원판, LP판과 비슷)를 여러장 쌓아놓고 돌림
    • 플래터 사이사이 정보를 읽고 쓸 수 있는 헤드가 들어가 있고 플래터가 회전하고 헤드가 정보 읽어옴
    • 플래터에서 띠 모양의 영역은 트랙, 하드 드라이브의 최소 기억 단위는 섹터
  • SSD
    • 하드 디스크와 달리 물리적 기계장치가 없이 전기 장치로만 구성
    • 모터 같은 기계 장치 없어서 하드 디스크에 비해 훨씬 빠름
• 파일 할당
  • 하드 디스크는 블록이라는 단위로 나누어 번호를 붙임
  • 파일 저장 방법이 여러가지 있음
  • 연속 할당
    • 앞에서 부터 차례대로
    • 헤드 이동 최소화해서 입출력 속도 빠름
    • 순차 접근과 직접 접근 모두 가능
    • 할당과 삭제 반복하면 중간에 구멍 생기는 외부 단편화 발생
    • 파일 계속 커지는 경우 부적절
  • 연결 할당
    • 연결리스트와 같은 방식으로 파일 할당
    • 데이터와 주소를 저장하는 공간으로 나눠서 사용
    • 외부 단편화 문제 x
    • 헤드가 여러번 움직여야 하며 직접 접근 불가능 → 화살표 따라가지 않으면 다음 위치 알 수 없음. 한 파일은 무조건 처음부터 접근해야 함
    • 한 칸 손상되면 나머지 모든 데이터 읽을 수 없음
    ※ 연결리스트: 데이터와 다음을 가리키는 포인터로 구성되어 한 줄로 연결된 자료구조. 길이가 계속 변화하는 데이터에 적합. 데이터 읽고 포인터보고 다음 노드로 이동하는 작업 반복. 순차 접근만 가능한 자료구조
  • FAT 방식
    • 화살표를 모아서 하나의 표로 저장
    • 각 칸이 다음은 어디로 연결되는지 FAT라는 테이블에 기록
    • FAT만 읽어 두면 원하는 칸부터 접근하는 직접 접근도 가능
    • 손상되어도 FAT를 보면 다음 칸 어디인지 알 수 있음
    • 한계: FAT 크기에 따라 최대 파일 크기와 파티션 크기가 제한 → 칸 번호의 자릿수를 늘리면 표가 커질수록 검색 시간 증가, 칸 크기 늘리면 작은 파일도 큰 칸에 저장하면서 단편화 발생
    • 발전: FAT에서 주소 표시하는 비트 수 변경하면서 발전. 칸 번호를 몇 비트로 기록할 것인지에 따라 버전 달라짐.(FAT16, FAT32) 표가 아닌 트리 형태로 저장하는 NFTS 방식도 등장
  • 색인 할당
    • 번호들을 순서대로 한 칸에 기록. 번호들이 기록된 칸을 인덱스 블록이라 부름
    • 인덱스 블록을 읽으면 직접 접근이 가능하며 외부 단편화 문제가 발생하지 않음
    • 표를 저장하기 위해 파일마다 한 칸을 사용해야 함. 한 칸에 들어갈 수 없을 정도로 큰 파일은 저장 불가능
• 링크
  • 리눅스의 inode(index node)
    • 리눅스에서 색인할당과 유사한 inode로 파일 관리
    • 파일에 대한 모든 정보(권한, 유형 등)가 기록
    • 각 노드에 번호를 부여
    • 모든 파일과 디렉토리는 고유한 inode 가짐
  • 바로가기
    • 파일의 일종
    • 바로가기 삭제해도 원본 파일 삭제 x
    • 바로가기 실행은 해당 파일 실행하는 것과 동일
  • 리눅스의 바로가기 기능
  • 심볼릭 링크
    • 윈도우의 바로가기 기능에 해당
    • 심볼릭 링크 파일도 별도의 고유한 inode를 가지고 파일 내용으로 원본 파일의 경로를 가짐
    • 원본 파일이 삭제되거나 경로가 변하면 링크가 끊어짐
    • 링크 파일 수정하면 원본 파일의 내용이 동일하게 수정
  • 하드링크
    • 원본 삭제해도 inode 가리키는 하드 링크 파일이 남아있음
    • 원본 파일을 삭제하든 이동하든 영향 받지 않고 하드 링크 파일을 그대로 사용할 수 있음
    • 링크 파일 수정하면 원본 파일도 수정
    • 링크가 원본파일의 inode를 공유함
  • (리눅스) 링크는 ln 명령어 사용 -s 사용하면 심볼릭 링크를, 사용하지 않으면 하드 링크를 생성함.
  • 링크 활용 방법
    • 대량의 데이터를 복사하는 대신 사용
    • 여러 위치에 같은 데이터가 저장된 것처럼 사용할 수 있지만, 하드 디스크 용량은 한 번만 차지하고 있음
    • 수정하면 원본도 같이 수정되는 점 유의하면서 사용해야함
• 마운트
  • 물리적인 장치를 특정 디렉토리에 연결하는 것
  • 새로운 물리 장치 사용을 위해 반드시 마운트를 해야함
  • 일부 운영체제에서는 자동으로 마운트 실행
  • 마운트 필요 이유
    • 마운트를 해야 운영체제가 저장 장치를 인식하여 접근 가능
    • 저장 장치의 파일 시스템에 접근하려면 먼저 인식시키는 작업 필요
    • 운영체제가 저장 장치 인식하도록 하는 작업이 마운트
    • 대부분의 저장장치 → 하드디스크, USB 메모리, CD, DVD, 플로피 디스크 등
    • 윈도우에서는 하드디스크-C, USB-D, CD-E, 플로피-A로 자동으로 마운트
    • 리눅스는 root라는 디렉토리가 하드 디스크에 마운트.
    • 마운트된 디렉토리: 마운트 포인트마운트의 대상
  • 마운트 코드
    • lsblk -p: 파일 시스템의 목록 확인
    • TYPE → disk / part: 파티션(디스크 하나를 여러개로 나눈 것)
    • sudo mount [옵션] [장치] [디렉토리]: 마운트하기

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운영체제의 종류

• 윈도우: 마이크로소프트사. 유료
• 맥: 유닉스 기반. 유료
• 리눅스: 무료에 안정적인 운영체제. 우분투, 데비안 같은 배포판 존재
• 컨테이너화: 실행에 필요한 모든 환경과 패키지를 포함하여 하나로 묵는 기술. 사용하고 있는 운영체제에 상관없이 동일한 개발환경 구성 가능 → Docker