CS 전공 지식 정리(3)

• 운영체제와 컴퓨터
  • 운영체제의 역할과 구조
    • 역할
      1. CPU 스케줄링과 프로세스 관리
      2. 메모리 관리
      3. 디스크 파일 관리
      4. I/O 디바이스 관리
    • 구조
      • 유저 프로그램
      • GUI
      • SystemCall : 운영체제가 커널에 접근하기 위한 인터페이스
      • 커널
      • 드라이버
      • 하드웨어
    • 요소
      • CPU : 인터럽트에 의해 단순히 메모리에 존재하는 명령어를 해석해서 실행
        • 구성
          • 산술논리연산장치(ALU, Arithmetic Logic Unit) : 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
          • 제어장치(CU, Control Unit) : 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
          • 레지스터 : CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
        • 인터럽트 : 어떤 신호가 들어왔을 때 CPU를 잠시 정지시키는 것
      • DMA 컨트롤러 : I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
      • 메모리 : 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치, 보통 RAM을 일컬어 메모리라고 함
      • 타이머 : 몇 초 안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할
      • 디바이스 컨트롤러 : 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
  • 메모리 계층
    • 구성
      • 레지스터 : CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 작음
      • 캐시 : 휘발성, 속도 빠름 ,기억 용량이 적음
        • 데이터를 미리 복사해 놓는 임시 저장소이자 빠른 자치와 느린 장치에서 속도 차이에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 메모리
        • 캐싱 계층
          • 메모리와 CPU 사이의 속도 차이가 너무 크기 때문에 그 중간에 레지스터 계층을 둬서 속도 차이를 해결. 이렇게 속도 차이를 해결하기 위해 계층과 계층 사이에 있는 계층
        • 지역성의 원리
          • 캐시를 직접 설정할 때 자주 사용하는 데이터를 기반으로 설정 이 때 근거가 되는 것
          • 시간 지역성 : 최근 사용한 데이터에 다시 접근하려는 특성
          • 공간 지역성 : 최근 접근한 데이터를 이루고 잇는 공간이나 그 가까운 공간에 접근 하는 특성
        • 캐시히트와 캐시미스 : 캐시에서 원하는 데이터를 찾았다면 캐시히트, 없다면 주 메모리로 가서 데이터를 찾아오는 것을 캐시미스
        • 캐시매핑 : 캐시가 히트되기 위해 매핑하는 방법
          • 직접 매핑 : 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 1:1 ~ 10, 2:1 ~ 20 … 이런 방식으로 매핑하는 것. 처리가 빠르지만 충돌 발생이 잦습니다.
          • 연관 매핑 : 순서를 일치시키지 않고 관련 있는 캐시와 메모리를 매핑합니다. 충돌이 적지만 모든 블록을 탐색해야 해서 속도가 느립니다.
          • 집합 연관 매핑 : 직접 매핑과 연관 매핑을 합쳐 놓는 것입니다. 순서는 일치시키지만 집합을 둬서 저장하며 블록화되어 있기 때문에 검색은 좀 더 효율적입니다. 예를 들어 메모리가 1~100이 있고 캐시가 1~10이 있다면 캐시 1~5에는 1~50의 데이터를 무작위로 저장시키는 것을 말합니다.
        • 웹 브라우저의 캐시
          • 쿠키 : 만료기한이 있는 key-value 저장소입니다. smae site 옵션을 strict로 설정하지 않았을 경우 다른 도메인에서 요청했을 때 자동 전송되며, 4KB까지 데이터를 저장할 수 있고 만료기한을 정할 수 있습니다.
          • 로컬 스토리지 : 만료기한이 없는 key-value 저장소입니다. 10MB까지 저장할 수 있으며 웹 브라우저를 닫아도 유지되고 도메인 단위로 저장, 생성됩니다. HTML5를 지원하지 않는 웹 브라우저에서는 사용할 수 없으며 클라이언트에서만 수정 가능합니다.
          • 세션 스토리지 : 만료기한이 없는 key-value 저장소입니다. 탭 탄위로 세션 스토리지를 생성하며, 탭을 닫을 때 해당 데이터가 삭제
        • 데이터베이스의 캐싱 계층 : 메인 데이터베이스 위에 Redis 데이터 베이스 계층을 캐싱 계층으로 둬서 성능 향상
      • 주기억장치 : RAM, 속도 보통, 기억 용량 보통
      • 보조기억장치 : HDD, SDD, 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 많음
  • 메모리 관리
    • 가상 메모리 : 컴퓨터가 실제로 이용 가능한 메모리 자원을 추상화하여 이를 사용하는 사용자들에게 매우 큰 메모리로 보이게 만드는 것
    • 스와핑 : 가상 메모리에는 존재하지만 실제 메모리인 RAM에는 현재 없는 데이터나 코드에 접근할 경우 페이지 폴트가 발생합니다. 메모리에서 당장 사용하지 않는 영역을 하드디스크로 옮기고 하드디스크의 일부분을 마치 메모리처럼 불러와 사용
    • 페이지 폴트 : 프로세스의 주소 공간에는 존재하지만 지금 이 컴퓨터의 RAM에는 없는 데이터에 접근했을 경우에 발생
      1. CPU는 물리 모레리를 확인하여 해당 페이지가 없으면 트랩을 발생해서 운영체제에 알립니다.
      2. 운영체제는 COU의 동작을 잠시 멈춥니다.
      3. 운영체제는 페이지 테이블을 확인하여 가상 메모리에 페이지가 존재하는지 확인하고, 없으면 프로세스를 중단하고 현재 물리 메모리에 비어 있는 프레임이 있는지 찾습니다. 물리 메모리에도 없다면 스와핑이 발동됩니다.
      4. 비어 있는 프레임에 해당 페이지를 로드하고, 페이지 테이블을 최신화합니다.
      5. 중단되었던 COU를 다시 시작합니다.
    • 스레싱 : 메모리의 페이지 폴트율이 높은 것, 심각한 성능 저하 초래
    • 작업 세트 : 프로세스의 과거 사용 이력인 지역성을 통해 결정된 페이지 집합을 만들어서 미리 메모리에 로드하는 것. 탐색에 드는 비용 및 스와핑을 줄일 수 있음
    • PFF(Page Fault Frequency)는 페이지 폴트 빈도를 조절하는 방법으로 상한선과 하한선을 만드는 방법. 만약 상한선에 도달한다면 프레임을 늘리고 하한선에 도달한다면 프레임을 줄임
  • 메모리 할당
    • 연속 할당 : 연속적으로 공간을 할당
      • 고정 분할 방식 : 메모리를 미리 나누어 관리하는 방식, 융통성이 없으며 내부 단편화가 발생
      • 가변 분할 방식 : 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 동적으로 메모리를 나눠 사용합니다. 내부 단편화는 발생하지 안혹 외부 단편화는 발생할 수 있습니다.
        • 최초적합 : 위쪽이나 아래족부터 시작해서 홀을 찾으면 바로 할당
        • 최적적합 : 프로세스의 크기 이상인 공간 중 가장 작은 홀부터 할당
        • 최악적합 : 가장 많이 차이가 나는 홀에 할당
    • 내부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 작아서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생
    • 외부 단편화 : 메모리를 나눈 크기보다 프로그램이 커서 들어가지 못하는 공간이 많이 발생하는 현상
    • 홀 : 할당할 수 있는 비어 있는 메모리 공간
    • 불연속 할당 : 연속적으로 할당하지 않는 불연속 할당은 현대 운영체제가 쓰는 방법으로 불연속 할당인 페이징 기법이 있습니다. 메모리를 동일한 크기의 페이지로 나누녹 프로그램마다 페이징 테이블을 투어 이를 통해 메모리에 프로그램
    • 페이징 : 동일한 크기의 페이지 단위로 나누어 메모리의 서로 다른 위치에 프로세스를 할당합니다. 홀의 크기가 균일하지 않은 문제가 없어지지만 주소 변환이 복잡해집니다.
    • 세그멘테이션 : 페이지 단위가 아닌 의미 단위인 세그먼트로 나누는 방식. 프로세스는 코드, 데이터 스택, 힙 등으로 이루어지는데, 코드와 데이터 등 이를 기반으로 나눌 수도 있으며 함수 단위로 나눌 수도 있음을 의미. 공유와 보안 측면에서 좋으며 홀 크기가 균일하지 않은 문제가 발생
    • 페이지드 세그멘테이션 : 공유나 보안을 의미 단위의 세그머느로 나누고, 물리적 메모리는 페이지로 나누는 것을 말합니다.
  • 페이지 교체 알고리즘
    • 오프라인 알고리즘 : 먼 미래에 참조되는 페이지와 현재 할당하는 페이지를 바꾸는 알고리즘
    • FIFO : 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 온 페이지를 교체 영역에 가장 먼저 놓는 방법을 의미
    • LRU : 참조가 가장 오래된 페이지를 바꿉니다. 오래도니 것을 파악하기 위해 각 페이지마다 계수기, 스택을 두어야 하는 문제점
    • NUR : LRU 알고리즘에 발전. 일명 clock 알고리즘이라고 하며 먼저 0과 1을 가진 비트를 둡니다. 1은 최근 잠조되었고 0은 참조되지 않음을 의미합니다. 시계 방향으로 돌면서 0을 찾고 0을 찾은 순간 해당 프로세스를 교체하고, 해당 부분을 1로 바꾸는 알고리즘
    • LFU : 가장 참조 횟수가 적은 페이지를 교체합니다. 즉, 많이 사용되지 않은 것을 교체하는 것
  • 프로세스 : 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램, 프로그램으로부터 인스턴스화된 것을 말합니다.
    • 전처리 : 소스 코드의 주석을 제거하고 헤더파일을 병합하여 매크로를 치환
    • 컴파일러 : 오류 처리, 최적화 작업을 하여 어셈블리어로 변환합니다.
    • 어셈블러 : 어셈블리어는 목적 코드로 변환됩니다.
    • 링커 : 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듭니다.
    • 라이브러리
      • 동적 라이브러리 : 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식, 메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점
      • 정적 라이블러리 : 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식, 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점
    • 상태
      • 생성 : 프로세스가 생성된 상태
        • fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
        • exec() : 새롭게 프로세스를 생성하는 함수
      • 대기 : 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
      • 실행 : CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미
      • 중단 : 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
      • 일시 중단 : 대기 중단과 유사
      • 종료 : 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
    • 메모리 구조
      • 스택 : 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 ‘동적’인 특징을 갖습니다.
      • 힙 : 동적 할당 할때 사용되며 런타임 크기가 결정됩니다.
      • 데이터 영역 : 전역변수, 정적변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역입니다. BSS 영역과 Data 영역으로 나뉘고, BSS 영역은 초기화 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 Data 영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장
      • 코드 영역 : 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역. 이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적은 특징을 가짐.
    • PCB : 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터. 프로세스 제어 블록이라고도 함.
      • 메타데이터 : 데이터에 대한 구조화된 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터
      • 구조
        • 프로세스 스케줄링 상태 : 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
        • 프로세스 ID
        • 프로세스 권한 : 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
        • 프로그램 카운터 : 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
        • CPU 레지스터 : 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
        • CPU 스케줄링 정보 : CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
        • 계정 정보 : 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
        • I/O 상태 정보 : 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록
      • 컨텍스트 스위칭 : PCB를 교환하는 과정
      • 캐시 미스 : 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 발생
  • 멀티 프로세싱
    • 웹 브라우저
      • 브라우저 프로세스 : 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 화면에 그리는 부분을 제어
    • IPC : 프로세스 끼리 데이터를 주고 받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
      • 공유 메모리 : 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것
      • 파일 : 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터
      • 소켓 : 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있습니다.
      • 익명 파이프 : 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이를 기반으로 데이터를 주고 받음
      • 명명된 파이프 : 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 토잇ㄴ을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말함
      • 메시지 큐 : 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리
  • 스레드 : 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
  • 멀티 스레딩 : 프로세스 내 작업을 여러개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높습니다.
    • 동시성 : 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것
  • 공유 자원 : 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일 데이터 등의 자원이나 변수를 의미
  • 임계 영역 : 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역. 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 ㅁ모두 상호 배재, 한정 대기, 융통성의 조건을 만족
    • 상호 배제 : 한 프로세스가 임계 영여겡 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
    • 한정 대기 : 특정 프로세스가 영원히 임계 영역이 들어가지 못하면 안된다.
    • 융통성 : 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안된다.
    • 뮤텍스 : 프로세스나 스레드가 공유 자원을 잠금 설정하고 사용한 후에는 잠금 해제하는 객체
    • 세마포어 : 일반화된 뮤텍스
      • 바이너리 세마포어 : 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어.
      • 카운팅 세마포어 : 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어
    • 모니터 : 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
  • 교착 상태 : 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단
    • 원인
      • 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가
      • 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청
      • 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
      • 환형 대기 : 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 오규하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구
  • CPU 스케줄링 알고리즘
    • 비선점형 방식 : 프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식
      • FCFS : 가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
      • SJF : 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 먼저 실행
      • 우선순위 : SJF에서 오래된 작업일수록 우선순위를 높이는 방법을 통해 단점을 보완
    • 선점형 방식 : 현대 운영체제가 쓰는 방식으로 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당
      • 라운드 로빈 : 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 가는 알고리즘
      • SRF : 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행
      • 다단계 큐 : 우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용