[컴퓨터 공학] 운영체제

코드스테이즈 41기 교육 내용을 정리하고 있습니다.
틀린 부분이 있으면 댓글로 알려주시면 감사하겠습니다

운영체제

하드웨어에게 일을 시키는 운영체제에 대해 알아보려합니다.

운영체제의 목적과 기능

운영체제의 목적은 처리 능력 향상, 사용 가능도 향상, 신뢰도 향상, 반환 시간 단축 등에 있으며, 이런 운영체제의 기능은 여러가지 있습니다.

• 프로세서, 기억장치, 입출력장치, 파일 및 정보 등의 자원을 관리합니다.
• 자원을 효율적으로 관리하기 위해 자원의 스케줄링 기능을 제공합니다. 스케줄링이란 어떤 자원을 누가, 언제, 어떤 방식으로 사용할지를 결정해주는 것을 뜻합니다.
• 사용자와 시스템 간의 편리한 인터페이스를 제공합니다.
• 시스템의 각종 하드웨어와 네트워크를 관리하고 제어합니다.

운영체제의 시스템 자원 관리

운영체제가 없다면, 응용프로그램이 실행될수 없습니다. 응용프로그램은 컴퓨터를 이용해 다양한 작업을 하는 것이 목적이고, 운영체제는 응용프로그램이 하드웨어에게 일을 시킬 수 있도록 도와줍니다. 하드웨어를 구성하는 일을 하는 CPU, 자료를 저장하는 RAM, 디스크등의 시스템 자원을 관리하는 주제가 바로 운영체제입니다.

응용 프로그램 관리

모든 응용 프로그램이 시스템의 자원을 마음대로 사용한다면, 해커에 의한 공겨겡 무방비 상태가 됩니다. 악의적인 목적을 가진 프로그램이 디스크의 모든 민감한 정보에 접근하거나, 내 스마트폰의 특정 앱이 카메라를 아무때나 실행해서 촬영한다고 생각하면 끔찍합니다. 따라서, 응용프로그램은 권한에 대한관리가 필요합니다. 또한 여러 사람이 하나의 기기를 사용하는 경우에는 사용자를 관리하는 것도 중요합니다,

응용 프로그램: 운영체제를 통해 컴퓨터에게 일을 시키는 것

응용 프로그램이 운영체제를 통해 컴퓨터에게 일을 시키려면, 컴퓨터를 조작할 수 있는 권한을 운영체제로부터 부여받아야 합니다. 권한을 부여받고 난 후에는, 운영체제가 제공하는 기능을 이용할 수 있습니다. 응용 프로그램이 운영체제와 소통하기 위해서는, 운영체제가 응용 프로그램을 위해 인터페이스(API)를 제공해야 합니다. 응용 프로그램이 시스템 자원을 사용할 수 있도록, 운영체제 차원에서 다양한 함수를 제공하는 것을 시스템 콜(System call)이라고 부릅니다.

프로세스

프로세스는 프로그램이 실행 중인 상태로 특정 메모리 공간에 프로그램의 코드가 적재되고 CPU가 해당 명령어를 하나씩 수행하고 있는 상태를 말합니다.운영체제에서는 프로세스를 사용하여 프로그램을 수행하게 되는데 실행중인 하나의 애플리케이션을 프로세스라고 합니다. 사용자가 애플리케이션을 실행하면, 운영체제로부터 실행에 필요한 메모리를 할당받아 애플리케이션의 코드를 실행합니다.
이때 실행되는 애플리케이션을 프로세스라고 부릅니다. 예를 들어 Chrome 브라우저를 두 개 실행하면, 두 개의 프로세스가 생성됩니다. 이렇게 하나의 애플리케이션은 여러 프로세스(다중 프로세스)를 만들기도 합니다.

프로세스 구성 요소

프로세스의 구조체에는 프로세스마다 독립적으로 관리해야 하는 유저 메모리 영역이나 프로세스가 사용하는 각종 객체들의 포인터를 관리하는 핸들 테이블을 가지고 있습니다.

• 유저 메모리 영역 관리
  • 프로세스 별로 독립된 영역을 가지게 되는 곳은 유저 메모리 공간입니다. 커널 메모리 공간의 경우 모든 프로세스가 공유하여 사용하고 있습니다. 프로세스 별로 독립적인 유저 메모리 영역을 관리하기 위해 VAD(Virtual Address Descriptors)라는 관리 테이블이 존재합니다.
• 핸들 테이블
  • 핸들 테이블은 프로세스에서 사용하는 모든 핸들에 대한 커널 객체 포인터 정보를 배열 형태로 가지고 있는 공간입니다. 프로세스가 종료하게 될 때 이 테이블의 정보를 참고하여 이 프로세서에서 사용하고 있는 모든 커널 객체를 자동적으로 반환합니다.
• 독립적인 메모리 공간
  • 프로세스 단위로 관리되는 자원 중 가장 중요한 구별점은 가상 메모리입니다. 페이징 기법을 이용하여 프로세스마다 별도의 고유한 메모리를 사용할 수 있게 하고 있습니다.

프로세스 특징 

프로세스의 특징으로는 자원 소유의 단위와 디스패칭의 단위가 있습니다.

• 자원 소유의 단위 각각의 프로세스는 자신의 실행 이미지 로드와 실행에 필요한 추가적인 메모리 공간을 가지고 있어야 합니다. 이것은 각 프로세스마다 구별되어야 하며 해당 프로세스가 접근하고자 하는 파일, I/O 장치들에 대해서 또한 프로세서 단위로 할당 받아 관리되어야 합니다.
• 디스패칭의 단위 프로세스는 하나의 프로그램이 운영체제로부터 CPU 의 자원을 일정 기간 동안 할당 받아 명령어를 실행하는 것이며, 운영체제는 여러 개의 프로세스가 병렬적으로 실행되게 하기 위해서 CPU 의 사용 시간을 각각의 프로세스에 골고루 나누어 주어야 합니다. 하나의 프로세스에서 여러 개의 디스패칭 단위가 실행될 수 있도록 하고 있으며, 이러한 디스패칭 단위를 스레드라 부릅니다.

프로세스 상태

• 실행 : 프로세스가 프로세서를 차지하여 서비스를 받고 있는 상태를 말합니다.
• 준비 : 실행될 수 있도록 준비되는 상태를 말합니다.
• 대기 : CPU의 사용이 아니라 입출력의 사건을 기다리는 상태를 말합니다.

프로세서 vs 프로세스

프로세서

프로세서는 하드웨어적인 측면과 소프트웨어적인 측면으로 나누어 볼 수 있습니다.

• 하드웨어 측면
  • 컴퓨터내에 프로그램을 수행하는 하드웨어 유닛으로, 중앙처리장치를 의미하며 적어도 하나 이상의 ALU와 레지스터를 내장합니다.
• 소프트웨어 측면
  • 데이터 포맷을 변환하는 역할을 수행하는 데이터 처리 시스템을 의미합니다. 워드프로세서나 컴파일러 등이 여기에 속합니다.

프로세스

프로세스는 특정 목적을 수행하기 위해 나열된 작업의 목록을 의미합니다. 메모리에 적재되어 프로세서에 의해 실행 중인 프로그램을 프로세스라고 합니다

스레드

스레드는 명령어가 CPU를 통해서 수행되는 객체의 단위입니다.

하나의 프로세스 내에는 반드시 1개 이상의 스레드가 존재하며, 이러한 스레드는 같은 프로세스에 있는 자원과 공유합니다.

같은 프로세스 내에 있는 스레드는 같은 주소 공산에 존재하게 되며 동일한 데이터에 접근 할 수 있습니다.

또한 하나의 스레드가 수정한 메모리는 같은 메모리를 참조하는 스레드에 영향을 미치게 됩니다.

예를 들러 하나의 스레드에서 오픈한 파일을 다른 스레드가 사용할 수 있습니다. 프로세스가 종료되면 그 프로세스에 속해있던 스레드도 함께 종료됩니다.

스레드는 왜 필요한가?

하나의 프로세스 안에서 여러개의 루틴을 동시에 수행하여서 수행능력을 향상하려고 할 때 스레드를 사용하게 되는데, 독립적으로 수행하여 처리하려고 할 때 사용하게 됩니다. 즉 여러개의 작업 단위로 구성된 프로그램에서 요청을 동시에 처리하기 위해서 입니다.

 

예를 들어, 워드 프로세서에서 사용자로부터 키보드 입력 받거나, 그래픽이나 UI를 그리고 문법 오류를 체크하는 등 워드 프로세서 내에서 여러 요청들을 동시에 처리해야 하는데, 이때 스레드가 필요하게 됩니다.

스레드의 구성요소

스레드는 가상 CPU, 수행 코드, 처리 데이터로 구성됩니다.

• 가상 CPU : 인터프리터, 컴파일러에 의해 내부적으로 처리되는 가상코드입니다.
• 수행코드 : Thread Class에 구현되어 있는 run() Method코드입니다.
• 처리 데이터 : Thread에서 처리하는 데이터입니다.

스레드의 특징

• 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위입니다. 하나의 스레드는 시작해서 종료할 때까지 한번에 하나씩 명령들을 수행합니다.
• 각 스레드 마다 call stack이 존재하며, 나머지 Code, Data, Heap영역은 스레드끼리 공유합니다. 반면 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없습니다
• 스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작합니다. 독립적으로 동작하기 때문에 두 개 이상의 스레드가 동작되는 경우, 두 개 이상의 스레드의 실행 및 종료순서는 예측할 수 없습니다

싱글스레드와 멀티스레드

싱글스레드

프로세스가 단일 스레드로 동작하는 방식으로 일련의 처리를 단일 스레드만으로 직렬 처리하는 프로그래밍 방법입니다. 하나의 레지스터, 스택으로 표현합니다.자바스크립트가 가장 대표적인 싱글 스레드 언어입니다.

 

장점

• 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 됩니다. 여러 개의 스레드가 프로세스의 자원을 공유할 경우,각 스레드가 원하는 결과를 얻게 하려면 공용 자원에 대한 접근을 제어해야 합니다. 쉽게 말해서, 모든 스레드가 일정 자원에 동시에 접근하거나, 똑같은 작업을 실행하려는 경우,에러가 발생하거나 원하는 값이 나오지 않습니다. 그래서, 스레드들이 동시에 같은 자원에 접근하지 못하도록 제어해줘야만 합니다.
• 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 되므로 문맥 교환(context switch) 작업 또한 요구하지 않습니다. 문맥 교환은 여러 개의 프로세스가 하나의 프로세서를 공유할 때 발생하는 작업으로 많은 비용을 필요로 합니다.
• 프로그래밍 난이도가 쉽고, CPU 메모리를 적게 사용합니다.

단점

• 여러 개의 CPU를 활용하지 못합니다. 싱글 스레드는 하나의 물리적 코어밖에 사용하지 못해 멀티 코어 머신에서 CPU 사용을 최적화할 수 없습니다. 최적화를 위해선 Cluster 모듈을 이용하여 여러 프로세스를 사용할 수 있습니다. 하지만 앞서 프로세스끼리의 자원 공유는 어렵기 때문에 Redis와 같은 부가 인프라가 필요합니다.
• 연산량이 많은 작업을 하는 경우, 그 작업이 완료되어야 다른 작업을 수행할 수 있습니다.
• 싱글 스레드 모델은 에러 처리를 못하는 경우 멈춰버리게 됩니다. 멀티 스레드 모델은 에러 발생 시 새로운 스레드를 생성하여 극복할 수 있습니다.

멀티스레드

일반적으로 하나의 프로세스는 하나의 스레드를 가지고 작업을 수행하게 됩니다.

하지만 멀티 스레드(multi thread)란 하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 의미합니다. 또한, 멀티 프로세스(multi process)는 여러 개의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에 수행하는 것을 의미합니다.

시스템 자원의 활용 극대화 및 처리량 증대할 수 있어 단일 프로세스 시스템의 효율성을 높일 수 있습니다.

 

장점

• 싱글 스레드인 경우, 작업이 끝나기 전까지 사용자에게 응답하지 않지만 반면 멀티스레드인 경우 작업을 분리해서 수행하므로 실시간으로 사용자에게 응답할 수 있습니다.
• 싱글 스레드인 경우 한 프로세스는 오직 한 프로세서에서만 수행 가능하지만 반면 멀티 스레드인 경우 한 프로세스를 여러 프로세서에서 수행할 수 있으므로 훨씬 효율적입니다.

단점

• 주의 깊은 설계가 필요하며, 디버깅이 까다롭습니다.
• 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어려우며 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없습니다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없습니다.)
• 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생합니다. 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받게 됩니다.
• 문맥 교환 작업을 요구합니다. CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 문맥 교환(Context Switching)이라 합니다. 문맥 교환이란 다른 태스크(프로세스, 스레드)가 시작할 수 있도록 이미 실행 중인 태스크(프로세스, 스레드)를 멈추는 것을 말합니다.