[CS 스터디 #02] 운영체제(OS)-프로세스/스레드, CPU 스케쥴링

 

 

 

💻 운영체제: Operating System

 

 

◻️ 메모리

 메모리는 컴퓨터에서 작업을 수행하기 위해 처리 대상이나 결과 등을 저장하기 위한 공간이다. 프로그램을 실행하기 위한 정보들은 메모리에 저장되어 처리된다.

 

 

 

 

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◻️  프로세스

 ✔️ 정의: 메모리에 적재되어 실행되고 있는 프로그램.

 ✔️ 특징: 운영체제로부터 독립된 메모리 영역을 할당 받는다. / 프로세스들은 독립적이기 때문에 통신하기 위해 IPC를 사용해야 한다. / 프로세스는 최소 1개 이상의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다./ 프로세스가 메모리에 올라갈 때 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받게 되는데, 프로세스마다 각각 독립된 영역, Code/Data/Stack/Heap의 형식으로 할당해준다.

• Data: 전역 변수와 static 변수가 할당되는 영역. 프로그램의 시작과 동시에 할당되고, 프로그램이 종료되어야 메모리에서 소멸된다.
• Stack: 함수 호출 시 생성되는 지역변수, 매개변수, 복귀주소와 같은 임시 자료들을 가진다. 함수 호출이 완료되면 사라진다.
• Heap: 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리

 ✔️ 프로그램과 프로세스의 차이

• 프로그램: 컴파일 코드, 전역변수, 문자열, 문자열 상수 등의 정적 데이터를 가진 정적인 객체
• 프로세스: 스택, 힙 데이터와 메모리 구조, 레지스터처럼 현재 관리하는 자원 정보를 가진 동적인 객체

 ✔️ 프로세스 제어 블록(PCB)

   특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조이다.

   운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다. 프로세스는 전환이 발생하면 진행하던 작업을 PCB에 저장하며, 다시 CPU를 할당받아 작업을 시작할 때 PCB에 저장되어 있던 내용을 불러와 이전에 종료되었던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

 

 

◻️ 스레드

✔️ 정의: 프로레스 내에서 할당받은 자원을 이용해 동작하는 실행 단위

✔️ 특징: 스레드는 프로세스 내에서 Stack만 따로 할당 받고, Code/Data/Heap 영역은 공유한다. Stack에는 함수의 호출 정보가 저장되는데, 스택을 공유하게 되면 LIFO구조에 의해 실행 순서가 복잡해지기 때문에 실행 흐름을 원활하게 하기 위하여 Stack만 따로 분리한다. 따라서 Stack을 분리한다는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고, 이는 독립적인 실행흐름이 추가되는 것이기 때문에, 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행흐름을 추가하기 위한 최소조건으로 독립된 스택을 할당한다./ 스레드는 프로세스의 자원을 공유하기 때문에 다른 스레드에 의한 결과를 즉시 확인할 수 있다. / 프로세스 내에 존재하며, 프로세스가 할당받은 자원을 이용하여 실행된다. 

 

 

 

 

 

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◻️ Context Switching 컨텍스트 스위칭

   Context Switching이란 인터럽트를 발생시켜 CPU에서 실행 중인 프로세스를 중단하고, 다른 프로세스를 처리하기 위한 과정이다. 현재 실행 중인 프로세스의 상태(Context)를 먼저 저장하고, 다음 프로세스를 동작시켜 작업을 처리한 후에 이전에 저장된 프로세스의 상태를 복구한다. 여기서 인터럽트란 CPU가 프로세스를 실행하고 있을 때, 입출력 하드웨어 등의 장치나 예외상황이 발생하여 처리가 필요함을 CPU에게 알리는 것을 말한다.

 

 

◻️  멀티 프로세스

  ✔️ 멀티 프로세스: 하나의 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 1개의 작업을 처리하도록 하는 것.

  ✔️ 특징: 1개의 프로세스가 죽어도 자식 프로세스 이외의 다른 프로세스들은 계속 실행된다. (장점)/ Context Switching을 위한 오버헤드(캐시 초기화, 인터럽트 등)가 발생한다./ 프로세스는 각각 독립적인 메모리를 할당받았기 때문에 통신하는 것이 어렵다./ 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다.

 

 

◻️ 멀티 스레드

✔️ 멀티스레드: 하나의 프로세스를 여러 개의 스레드로 구성하여 각 스레드가 1개의 작업을 처리하도록 하는 것.

✔️ 특징: 프로세스를 위해 자원을 할당하는 시스템콜이나 Context Switching의 오버헤드를 줄일 수 있다./ 스레드는 메모리를 공유하기 때문에, 통신이 쉽고 자원을 효율적으로 사용할 수 있다./ 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스가 영향을 받는다/ 여러 스레드가 하나의 자원에 동시에 접근하는 경우 자원 공유(동기화)의 문제가 발생할 수 있다.

 

 

 

 

 

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◻️  DeadLock 교착상태

   한정된 자원을 여러 프로세스가 사용하고자 할 때 발생하는 상황으로, 프로세스가 자원을 얻기 위해 영구적으로 기다리는 상태를 뜻한다. 자원 A를 가진 프로세스 P1과 자원 B를 가진 프로세스 P2가 있을 때, P1은 B를, P2는 A를 필요로 한다면 두 프로세스는 서로 자원을 얻기 위해 무한정 기다리게 된다.

 

  ✔️ 조건

1. 상호배제: 한 자원에 대한 여러 프로세스/스레드의 동시 접근 불가
2. 점유와 대기: 자원을 가지고 있는 상태에서 다른 프로세스가 사용하고 있는 자원의 반납을 기다리는 것.
3. 비선점: 다른 프로세스/스레드의 자원을 강제로 가져올 수 없는 것.
4. 순환 대기: 각 프로세스가 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 가지고 있는 것

  ✔️ 해결 방법

1. 예방: 데드락이 발생하는 네 가지 조건 중 하나를 해결한다. 자원 사용의 효율성이 떨어지고 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
2. 회피: 발생조건을 없애기 보다는 발생하지 않도록 알고리즘을 적용하는 방법. 자원할당 그래프 알고리즘/은행원 알고리즘이 있다.
3. 회복: 교착상태가 발생하는 것을 아예 막지 않고, 발생 이후에 문제를 해결하는 방법.
4. 무시: 교착상태를 해결할 때에도 문맥교환에 의한 오버헤드로 성능 저하가 생기는데, 교착상태에 의한 성능 저하보다 이를 해결할 때의 성능 저하가 더 큰 경우, 그냥 무시하는 방법.

 

 

 

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◻️  CPU 스케줄링

✔️ 스케줄링(Scheduling)

• 프로세스가 생성되어 실행될 때 필요한 시스템의 여러 자원을 해당 프로세스에게 할당하는 작업
• CPU나 자원을 효율적으로 사용하기 위해 스케줄링 알고리즘을 사용한다.
• 장기 스케쥴링, 중기 스케쥴링, 단기 스케쥴링으로 구분된다.

✔️ 선점 스케줄링

 하나의 프로세스가 CPU를 할당받아 실행하고 있을 때, 우선순위가 높은 다른 프로세스가 CPU를 강제로 빼앗아 사용할 수 있는 스케줄링 기법.

• 주로 빠른 응답시간을 요구하는 대화식 시분할 시스템에 사용된다.
• 장점: 우선순위가 높은 프로세스를 빠르게 처리할 수 있다.
• 단점: 우선순위가 높은 프로세스가 생길 때마다 계속 문맥교환이 일어나므로 오버헤드가 크다.

1.  라운드로빈: FCFS를 선점 형태로 변형한 기법. 모든 프로세스는 동일한 할당시간을 가지며, 할당 시간이 지나면 프로세스는 선점되고 준비 큐의 맨뒤로 다시 들어가게 된다. 모든 프로세스가 최초 응답시간을 빠르게 보장받을 수 있다. 설정한 할당 시간이 너무 커지면 처리 시간이 긴 프로세스에 의해 CPU의 효율성이 떨어지게 되고, 할당 시간이 너무 작아지면 잦은 문맥교환으로 인한 오버헤드가 발생한다.
2.  SRT: SJF를 선점 형태로 변형한 기법. 현재 실행 중인 프로세스의 남은 시간과 준비상태 큐에 새로 도착한 프로세스의 실행시간을 비교하여 가장 짧은 실행시간을 요구하는 프로세스에 CPU를 할당.
3.  선점 우선순위
4.  다단계 큐
5. 다단계 피드백 큐

✔️ 비선점 스케줄링

   이미 할당된 CPU를 다른 프로세스가 강제로 빼앗아 사용할 수 없는 스케쥴링 기법. 프로세스가 CPU를 할당받을 경우 해당 프로세스가 완료될 때까지 인터럽트없이 CPU를 사용한다.

• 일괄처리 방식에 적합하다.
• 장점: 프로세스 응답시간을 예측하기 쉽다.
• 단점: 중요한 작업이 중요하지 않은 작업을 기다리는 경우가 발생할 수 있다.

1.  FCFS: 먼저 CPU를 요청하는 프로세스를 먼저 처리하는 방식
2.  SJF: 실행시간이 짧은 프로세스에 먼저 CPU를 할당
3.  우선순위: 
4.  HRN: 실행시간이 긴 프로세스에 불리한 SJF 기법을 보완하기 위함. 대기 시간과 실행시간을 이용함.
5.  기한부

 

 

 

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📝 CS 질문 정리

 1. 운영체제란 무엇입니까?

 운영체제는 컴퓨터 하드웨어가 소프트웨어와 통신하고 작동하도록 하는 소프트웨어 프로그램입니다.

 2. 운영체제의 주요 목적은 무엇입니까?

 컴퓨터 시스템의 계산활동을 관리하여 컴퓨터 시스템이 제대로 작동하도록 한다.

 프로그램 개발 및 실행을 위한 환경을 제공한다.

 3. 프로세스란 무엇을 의미합니까?

 메모리에 적재되어 실행되고 있는 프로그램. 

 4. 프로세스의 특징을 설명하세요.

운영체제로부터 독립된 메모리 영역을 할당받으며, 독립적이기 때문에 프로세스간 통신을 위해서는 IPC를 사용해야 합니다. 프로세스는 최소 한 개 이상의 스레드를 가지고 있습니다. 프로세스가 메모리에 올라갈 때마다 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받게 되는데, 각각 독립된 영역으로 Code/Stack/Data/Heap 형식으로 할당받습니다.

 5. 스레드는 무엇입니가?

 프로세스 내에서 할당받은 자원을 이용해 동작하는 실행 단위.

 6. 스레드의 특징을 설명하세요.

 프로세스 내에서 stack만 따로 할당받고, 나머지 자원은 모두 공유합니다. stack에는 함수 호출 정보가 저장되는데, stack의 LIFO구조에 의해 실행 순서가 복잡해지기 때문에 실행흐름을 원활하게 하기 위하여 stack만 따로 분리합니다. 따라서 stack만 따로 분리된다는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이기 때문에, 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행흐름을 추가하기 위한 최소조건으로 독립된 스택을 할당합니다. 

 7. 프로세스와 스레드의 차이는 무엇입니까?

 8. 스레드의 장점이란?

 프로세스보다 생성 및 종료시간, 스레드간 전환시간이 짧습니다.

 프로세스의 메모리, 자원 등을 공유하므로 커널의 도움없이 상호 간의 통신이 가능합니다.

 9. 멀티 스레딩의 장점과 단점은?

  하나의 프로세스 내에 다수의 실행 단위들이 존재하여 작업에 필요한 자원들을 공유하기 때문에 자원의 생성과 관리가 중복되는 것을 줄일 수 있다는 장점이 있습니다./ 교착상태를 발생시킬 수 있으며, 동기화에 주의해야한다는 단점이 있습니다.

 10. 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유는 무엇인가.

 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다. 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.

 처리비용 감소 및 응답시간 단축의 장점도 있다. 자원공유로 인해 스레드간 통신 비용이 더 적게 들고, 또 context switching시에 스레드는 스택영역만 처리하면 되기 때문에 전환 속도가 프로세스보다 더 빠르다.

 11. 멀티 프로세싱과 멀티 프로그래밍의 차이는?

 멀티 프로세싱은 여러개의 처리장치(CPU)를 장착하여 동시에 여러 작업을 병렬로 실행하는 방법.

 멀티 프로그램은 다수 개의 프로그램을 같이 주기억장치에 있도록 한 방식.

 12. 교착상태란 무엇인가?

  한정된 자원을 여러 프로세스가 사용하고자 할 때 발생하는 상황으로, 프로세스가 자원을 얻기 위해 영구적으로 기다리는 상태를 뜻한다. 자원 A를 가진 프로세스 P1과 자원 B를 가진 프로세스 P2가 있을 때, P1은 B를, P2는 A를 필요로 한다면 두 프로세스는 서로 자원을 얻기 위해 무한정 기다리게 된다.

 13. 교착상태의 4가지 필요 조건은?

 상호배체, 점유와 대기, 비선점, 환형대기

 14. 교착상태의 해결방법은?

 예방, 회피, 회복, 무시

 15. 스케줄링이란?

 프로세스가 생성되어 실행될 때, 작업에 필요한 시스템의 여러 자원을 해당 프로세스에 할당하는 방법

 16. cpu 스케줄링이란?

 CPU 하나는 동시에 여러 개의 프로세스를 처리할 수 없기 때문에, 어떤 프로세스가 CPU를 사용할 수 있도록 하는지 결정하는 정책입니다.

 17. cpu 스케줄링은 언제 발생하는가?

 실행상태에서 대기상태로 전환될 때(입출력 요청)

 실행상태에서 준비상태로 전환될 때(인터럽트 발생)

 대기상태에서 준비상태로 전환될 때(입출력 종료)

 종료될 때

 18. cpu 스케줄링의 종류를 설명하시오.

 비선점 스케줄링/ 선점 스케줄링

 19. 문맥교환이란 무엇인가?

Context Switching이란 인터럽트를 발생시켜 CPU에서 실행 중인 프로세스를 중단하고, 다른 프로세스를 처리하기 위한 과정이다. 현재 실행 중인 프로세스의 상태(Context)를 먼저 저장하고, 다음 프로세스를 동작시켜 작업을 처리한 후에 이전에 저장된 프로세스의 상태를 복구한다. 여기서 인터럽트란 CPU가 프로세스를 실행하고 있을 때, 입출력 하드웨어 등의 장치나 예외상황이 발생하여 처리가 필요함을 CPU에게 알리는 것을 말한다.

 20. 기아현상을 해결하는 방법은?

 21. 프로세스간 통신 방법은 무엇이 있는지 좀 더 자세히 설명하라.

 22. PCB란 무엇인가?

 23. 스레드 세이프란?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Ｐｏｓｔｅｄ Ｂｙ ＳＡＹ

𝘛𝘩𝘢𝘯𝘬𝘴 𝘧𝘰𝘳 𝘳𝘦𝘢𝘥𝘪𝘯𝘨