chapter 3) 운영체제
SECTION1 운영체제와 컴퓨터
운영체제(OS, Operation System): 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하여 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스
펌웨어(firmware): 운영체제와 유사하지만 소프트웨어를 추가로 설치할 수 없는 것
1. 운영체제의 역할과 구조
운영체제의 역할
- CPU 스케줄링과 프로세스 관리: CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리
- 메모리 관리: 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리
- 디스크 파일 관리: 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리
- I/O 디바이스 관리: I/O 디바이스들인 마우스, 키보드와 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리
운영체제의 구조
※ GUI: 사용자가 전자장치와 상호 작용할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스의 한 형태, 단순 명령어 창이 아닌 아이콘을 마우스로 클릭하는 단순한 동작으로 컴퓨터와 상호 작용할 수 있도록 해줌
※ 드라이버: 하드웨어를 제어하기 위한 소프트웨어
※ CUI: 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스
시스템콜: 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스이며 유저 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출할 때 사용
- 유저 프로그램이 I/O 요청으로 트랩(trap)을 발동하면 올바른 I/O 요청인지 확인한 후 유저 모드가 시스템콜을 통해 커널모드로 변환되어 실행됨
- ex) I/O 요청인 fs.readFile()이라는 파일 시스템의 읽는 함수가 발동 한 경우
- 유저 모드에서 파일을 읽지 않고 커널 모드로 들어가 파일을 읽고 다시 유저 모드로 돌아가 그 뒤에 있는 유저 프로그램의 로직을 수행
- 이 과정을 통해 컴퓨터 자원에대한 직접 접근을 차단할 수 있고 프로그램을 다른 프로그램으로부터 보호할 수 있음
즉, 프로세스나 스레드에서 운영체제로 어떠한 요청을 할 때 시스템콜이라는 인터페이스와 커널을 거쳐 운영체제에 전달됨
Q. 운영체제에서 작업시 커널은 항상 사용될까?
A. 하드웨어를 통해 입력을 주면 모든 시스템 작업은 무조건 커널을 통해 이루어지기 때문에 항상 사용됨
Linux 환경에서는 OS가 항상 메모리에 상주하기 때문에, Linux에서는 운영체제와 커널이 같다고 생각하면 됨
modebit: 시스템콜이 작동될 때 참고되어 유저 모드와 커널 모드를 구분하는 플래그 변수(0 or 1의 값을 가짐)
- I/O 디바이스는 운영체제를 통해서만 작동해야 함
- 0: 커널 모드, 1: 유저 모드
※ 유저 모드: 유저가 업근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며 캄퓨터 자원에 함부로 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 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 함
2. 컴퓨터의 요소
컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 이루어져 있음
CPU(Central Processing Unit)
- 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
- 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행하는 일꾼
- 즉, 관리자 역할을 하는 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 프로세스로 만들면 일꾼인 CPU가 이를 처리함
1) 제어장치(CU, Control Unit)
- 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
- 입출력장치 간 통신을 제어하고 명령어들을 읽고 해석하며 데이터 처리를 위한 순서를 결정함
2) 레지스터
- CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
- CPU와 직접 연결되어 있으므로 연산 속도가 메모리보다 수십 배에서 수백 배까지 빠름
- CPU는 자체적으로 데이터를 저장할 방법이 없기 때문에 레지스터를 거쳐 데이터를 전달함
3) 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit)
- 덧셈, 뺼셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
CPU의 연산 처리 방법
4) 인터럽트
- 어떤 신호가 들어왔을 떄 CPU를 잠깐 정지시키는 것
- 키보드, 마우스 등 IO 디바이스로 인한 인터럽트, 0으로 숫자를 나누는 산술 연산에서의 인터럽트, 프로세스 오류 등으로 발생함
- 인터럽트가 발생되면 인터럽트 핸들러 함수가 모여있는 인터럽트 벡터로 가서 인터럽트 핸들러 함수가 실행 됨
- 인터럽트 간에는 우선순위가 있고 우선순위에 따라 실행되며 인터럽트는 하드웨어 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 두 가지로 나뉨
| 하드웨어 인터럽트 | 소프트웨어 인터럽트(트랩, trap) |
| 키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 일 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트 | 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동 |
| 인터럽트 라인이 설계된 이후 순차적인 인터럽트 실행을 중지하고 운영체제에 시스템콜을 요청해서 원하는 디바이스로 향해 디바이스에 있는 작은 로컬 버퍼에 접근하여 일을 수행 |
DMA 컨트롤러
- I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
- CPU 부하를 막아주며 CPU의 일을 부담하는 보조 일꾼
- 하나의 작업을 CPU와 DMA 컨트롤러가 동시에 하는 것을 방지함
메모리(memory)
- 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치를 말하며 보통 RAM(Random Access Memory)을 일컬어 메모리라고도 함
- CPU-> 계산, 메모리-> 기억
- ex) CPU는 일꾼이고 메모리는 작업장
타이머(timer)
- 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
- 시간이 많이 걸리는 프로그램이 작동할 때 제한을 걸기 위해 존재
디바이스 컨트롤러(device controller)
- 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
- 로컬 버퍼: 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리이며 디바이스 컨트롤러 옆에 붙어있음
SECTION2 메모리
1. 메모리 계층
메모리 계층은 레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있음
- 레지스터: CPU 안에 있는 작음 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 적음
- 캐시: L1(각 프로세서 코어마다 별도로 존재), L2(모든 코어가 L2캐시를 공유)시를 지칭, 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 적음, CPU 안에 있음
- 주기억장치(RAM): 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통
- 보조기억장치(HDD, SSD): 비휘발성, 속도 낮은, 기억 용량이 많음
※ 램: 하드디스크로부터 일정량의 데이터를 복사해서 임시 저장, 필요 시마다 CPU에 빠르게 전달하는 역할
※ 계층이 있는 이유: 경제성과 캐시 때문 ex) 16GB RAM: 8만원, 16GB SSD: 훨씬 싼가격
※ '로딩중'이라는 메시지: 하드디스크 or 인터넷에서 데이터를 읽어 RAM으로 전송하는 과정이 아직 끝나지 않았음을 의미
캐시(cache)
- 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소, 빠른 장치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리
- 이를 통해 데이터를 접근하는 시간이 오래 걸리는 경우를 해결하고 무언가를 다시 계산하는 시간을 절약할 수 있음
- 실제로 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 떄문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결함
- 캐싱 계층: 속도차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층
※ 지역성의 원리
- 자주 사용하는 데이터를 기반으로 캐시를 직접 설정하는 방법을 선택함
| 시간 지역성(temporal locality) | 공간 지역성(spatial locality) |
| 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성 | 최근 접근한 데이터를 이루고 있는 공간이나 그 가까운 공간에 접근하는 특성 |
| ex) for 반복문으로 이루어진 코드 안의 변수 i에 계속해서 접근이 이루어 지는것 | ex) 공간을 나타내는 배열 arr의 각 요소들에 i가 할당되며 해당 배열에 연속적으로 접근함을 알 수 있음 |
캐시히트와 캐시미스
- 캐시히트: 캐시에서 원하는 데이터를 찾은 경우
- 캐시미스: 해당 데이터가 캐시에 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것
캐시매핑
- 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법
- CPU의 레지스터와 주 메모리(RAM) 간에 데이터를 주고받을 때를 기반으로 설명함
| 직접 매핑(diredcted mapping) | 연관 매핑(associative mapping) | 집합 연관 매핑(set associative mapping) |
| 빠르지만 충돌이 잦음 | 순서를 일치하지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑 | 직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓은 것 |
| 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느림 | 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 떄문에 검색은 좀 더 효율적 | |
| ex) 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 1:1~10, 2:1~20 ... 이런 식으로 매핑하는 것 | ex) 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 캐시 1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것 |
웹 브라우저의 캐시
- 대표적인 캐시: 웹 브라우저의 작은 저장소 쿠키, 로컬 스토리지, 세션 스토리지
- 사용자의 커스텀한 정보나 인증 모듈 관련 사항들을 웹 브라우저에 저장해서 추후 서버에 요청할 떄 자신을 나타내는 아이덴티티나 중복 요청 방지를 위해 쓰임
1) 쿠키
- 만료기한이 있는 키-값 저장소
- same site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송되며, 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있음
- 클라이언트 or 서버에서 만료기한 등을 정할 수 있는데 보통 서버에서 만료기한을 정함
2) 로컬 스토리지
- 만료기한이 없는 키-값 저장소
- 10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성 됨
- HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용X
- 클라이언트에서만 수정 가능
3) 세션 스토리지
- 만료기한이 없는 키-값 저장소
- 탭 단위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 해당 데이터가 삭제 됨
- 5MB까지 저장이 가능하며 HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용X
- 클라이언트에서만 수정 가능
데이터베이스의 캐싱 계층
- 데이터베이스 시스템을 구축할 때도 메인 데이터베이스 위에 레디스(redis) 데이터베이스 계층을 '캐싱 계층'으로 둬서 성능을 향상시키기도 함
2. 메모리 관리
가상 메모리(virtual memory)
- 메모리 관리 기법의 하나로 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것
가상 주소(logical address): 가상적으로 주어진 주소
실제 주소(physical address): 실제 메모리상에 있는 주소
- 가상 주소는 메모리관리장치(MMU)에 의해 실제 주소로 변환됨, 이 덕분에 사용자는 실제 주소를 의식할 필요 없이 프로그램을 구축할 수 있게 됨
- 가상 메모리는 가상 주소와 실제 주소가 매핑되어 있고 프로세스의 주소 정보가 들어 있는 '페이지 테이블'로 관리 됨
- 속도 향상을 위해 TLB 사용
※ TLB: 메모리와 CPU 사이에 있는 주소 변환을 위한 캐시, 페이지 테이블에 있는 리스트를 보관하며 CPU가 페이지 테이블까지 가지 않도록 해 속도를 향상시킬 수 있는 캐시 계층
스와핑(swapping)
- 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생
- 이때 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 쓰는것을 스와핑이라고 함
- 이를 통해 마치 페이지 폴트가 일어나지 않은 것처럼 만듬
페이지 폴트(page fault)
프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우 발생
페이지 폴트와 그로 인한 스와핑이 발생하는 과정
- CPU는 물리 메로리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알림
- 운영체제는 CPU의 동작을 잠시 멈춤
- 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리 비어 있는 프레임이 있는지 찾음, 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동 됨
- 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화
- 중단되었던 CPU를 다시 시작함
※ 페이지(page): 가상 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
※ 프레임(frame): 실제 메모리를 사용하는 최소 크기 단위
스레싱(thrashing)
- 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것을 의미, 이는 컴퓨터의 심각한 성능 저하를 초래함
작업 세트(working set)
PFF(Page Fault Frequenct)
메모리 할당
연속 할당
| 고정 분할 방식(fixed partition) | 가변 분할 방식(variable partition allocation) |
불연속 할당
| 페이징(paging) | 세그멘테이션(segmentation) | 페이지드 세그멘테이션(paged segmentation) |
페이지 교체 알고리즘
SECTION3 프로세스와 스레드
프로세스(process): 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 같은 의미로 쓰임
스레드: 프로세스 내 작업의 흐름
※ 과정: 프로그램이 메모리에 올라감 -> 프로세스가 되는 인스턴스화 발생 -> 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행
1. 프로세스와 컴파일 과정
프로세스: 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것
전처리
- 소스코드의 주석을 제거 및 헤더파일을 병합하여 매크로를 치환
컴파일러
- 오류처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환
어셈블러
- 목적 코드(object code)로 변환
링커
- 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행파일을 만듬
| 정적 라이브러리 | 동적 라이브러리 |
| 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하느 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식, 시스템환경 등 외부 의존도가 낮은 장점 | 프로그램 실행 시 필요할때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식, 메모리 효율성에서 큰 장점 |
| 코드 중복등 메모리 효율성이 떨어지는 단점 | 외부의존도가 높아지는 단점 |
2. 프로세스의 상태
프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 가짐
2-1) 생성 상태(create/new): 프로세스가 생성된 상태, fork() or exec() 함수를 통해 생성하며 이때 PCB가 할당됨
- fork(): 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않음
- exec(): 새롭게 프로세스를 생성하는 함수
2-2) 대기 상태(ready): 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소류권이 넘어오기를 기다리는 상태
2-3) 대기 중단 상태(ready suspended): 메모리 부족으로 일시 중단된 상
2-4) 실행 상태(running): CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미(= CPU burst가 일어났다)
2-5) 중단 상태(blocked): 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
- I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 다수 발생함
- ex) 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘 듯할 때의 상태
2-6) 일시 중단 상태(blocked syspended): 대기 중단과 유사하며 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
2-7) 종료 상태(reminated): 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
- 종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 종료되는 것도 있음
- 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생함
3. 프로세스의 메모리 구조
운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당 함
code 영역
- 사용자가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령 형태로 변환되어 저장되는 공간
- 컴파일(compile) 타임에 결정되고 중간에 코드를 바꿀 수 없게 Read-Only 로 되어있음
data 영역
- 전역 변수 또는 static 변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 공간
- 데이터영역은 BSS영역과 Data영역으로 나뉘고, BSS영역은 초기화가 되지 않는 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 DATA영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장됨
- 전역 변수 또는 static 값을 참조한 코드는 컴파일이 완료되면 data 영역의 주소값을 가르키도록 바뀜
- 전역변수가 변경 될 수도 있어 Read-Write로 되어있음
stack 영역
- 스택에는 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 '동적'인 특징을 가짐
- 이 영역은 함수 호출시 기록하고 함수의 수행이 완료되면 사라짐.
- 메커니즘은 자료구조(stack)에서 배운 LIFO(Last In First Out) 방법을 따름
- 컴파일 시 stack 영역의 크기가 결정되기 때문에 무한정 할당 할 수 없음
- 따라서 재귀함수가 반복해서 호출되거나 함수가 지역변수를 메모리를 초과할 정도로 너무 많이 가지고 있다면 stack overflow가 발생함
heap 영역
- 힙은 동적할당이 되며 런타임 시 크기가 결정됨(메모리를 할당 받음)
- ex) 벡터같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적할당 됨
- 프로그래머가 필요할 때마다 사용하는 메모리 영역
- heap 영역은 런타임에 결정됨
- 자바에서는 객체가 heap영역에 생성되고 GC에 의해 정리됨
4. PCB(=프로세스 제어 블록)
PCB(Process Control Block): 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'
- 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성함
- 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리함
- 즉, PCB란 운영체제가 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장해 놓을 수 있는 저장 장소를 뜻함
※ 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
- 프로세스 ID(PID): 프로세스의 고유번호(ID)
- 프로세스 스케줄링 상태: 준비, 대기, 실행, 보류 준비, 보류대기 등의 상태
- 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 or I/O 디바이스에 대한 권한 정보
- 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
- CPU 레지스터: 레지스터 관련 정보
- CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
- 계정 정보: cpu 사용시간, 실제 사용된 시간
- I/O상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O디바이스 목록
컨텍스트 스위칭(context switching): PCB를 교환하는 과정
- 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생됨
- 프로세스 pcb0를 실행하다가 멈추고, 프로세스 0번을 저장하고 다시 1번 프로세스를 로드하여 실행
- 다시 프로세스 1의 pcb를 저장하고 프로세스0의 pcb를 로드
- 컨텍스트 스위칭이 일어날때 유휴시간(idle time)이 발생
- 또한 캐시미스 역시 발생
비용: 캐시미스
- 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생
5. 멀티프로세싱
- 멀티프로세싱: 여러 개의 '프로세스' 즉, 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
- 병렬처리가능, 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높음
- 브라우저 프로제스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당
- 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 '보이는' 부분의 모든 것을 제어
- 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어
- GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어
IPC(Inter Process Communication)
- 멀티프로세스는 IPC가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻 함
- ex) client - server 간의 데이터 요청 및 응답
- 종류: 공유메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐
- 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐
공유 메모리(shared memory)
- 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 말함
- 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 함
소켓
- 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미
- ex) TCP, UDP
익명 파이프(unamed pipe)
- 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식
- 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능함
명명된 파이프(named pipe)
- 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프를 말함
- 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있음
메시지 큐(message queue)
- 메시지를 큐(queue) 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 장점이 있음
- 공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 함
SECTION4 CPU 스케줄링 알고리즘
CPU 스케줄러는 CPU 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스에서 해야 하는 일을 스레드 단위로 CPU에 할당함
- 이 알고리즘은 CPU 이용률은 높게, 주어진 시간에 많은 일을 하게, 준비 큐(ready queue)에 있는 프로세스는 적게, 응답 시간은 짧게 설정하는 것을 목표로 함
1. 비선점형 방식
- 비선점형 방식(non-preemptive): 프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식이며 강제로 프로세스를 중지하지 않음
- 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적음
| FCFS(First Come, First Served) | SJF(Shortest Job First) | 우선순위 |
| 가장 먼저 나온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘 | 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘 | SJF의 starvation 현상을 보완하기 위하여 오래된 작업일수록 '우선순위를 높이는 방법(aging)'을 적용 |
| 길게 수행되는 프로세스 때문에 '준비 큐에서 오래 기다리는 현상(convoy effect)'이 발생하는 단점 | 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상(starvation)이 일어나며 평균 대기 시간이 가장 짧음 |
2. 선점형 방식
- 선점형 방식(preemptive): 현대 운영체제가 쓰는 방식으로 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식
| 라운드 로빈(RR, Round Robin) | SRF(Shotest Remaining Time First) | 다단계 큐 |
| 현대 컴퓨터가 쓰는 스케줄링인 운선순위 스케줄링의 일종으로 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 돌아 가는 알고리즘 | 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행 | 우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것 |
| 로드밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 쓰임 | 큐 간의 프로세스 이동이 안 되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어지는 특징이 있음 |
참고문서: 면접을 위한 CS 전공지식 노트
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