[OS]OS 개념 정리

OS

• 프로세스와 스레드의 차이
• 멀티스레드
• 스케줄러
• CPU 스케줄러
• 동기와 비동기의 차이
• 프로세스 동기화
• 메모리 관리 전략
• 가상 메모리
• 캐시의 지역성
• 교착상태의 개념과 조건

프로세스와 스레드의 차이

프로세스 (Process)

프로세스는 실행중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다. 운영체제로부터 주소공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다.

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)
PCB는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조이다. 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다. 프로세스는 CPU를 할당핟아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장된어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.
PCB에 저장되는 정보들 : PID, 프로세스 상태, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, CPU 스케쥴링 정보 등

스레드 (Thred)

스레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있다. 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다. 스레드는 스레드 ID, 레지스터 집합, 그리고 스택으로 구성된다. 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다. 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화아형 수행 능력을 생상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC레지스터 값을 갖고 있다.

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가된는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

PC Register를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다. 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇게 때문에 명령어가 연속저으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC레지스터를 독립적으로 할당한다.

멀티스레드

멀티 스레딩의 장점

프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다. 스레드 간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는 것이 아니라 전역 변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap영역을 이용하여 데이터를 주고받을 수 있다. 그렇기 때문에 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단하다. 심지어 스레드의 context switch는 프로세스 context switch와는 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠르다. 따라서 시스템의 throughput이 향상되고 자원 소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축된다. 이러한 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 스레드로 나뉘 수행하는 것이다.

멀티 스레딩의 문제점

멀티 프로세스 기반의 프로그램할 때는 프로세스 간 공유하는 자원이 없기 때문에 동일한 자원에 접근하는 일이 없지만 멀티 스레딩을 기반으로 프로그래밍 할 때는 이 부분을 신경써줘야 한다. 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다.
그렇기 때문에 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤하는 것이다. 하지만 이로 인해 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다. 그러므로 과도한 락으로 인한 병목현상을 불여야 한다.

멀티 스레드 VS 멀티 프로세스

멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥전환이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 안고 있다. 반면 멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에서 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU시간을 차지한다는 단점이 존재한다. 이 두가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다.

스케줄러

프로세스를 스케줄링하기 위한 queue에는 세가지 종류가 존재한다.

• Job queue: 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready Queue: 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queueL Device I/O작업을 대기하고 있는 프로세스의 집합

CPU 스케줄러

스케줄링 대상은 Ready queue이 있는 프로세스들이다.

FCFS (First Come First Served)

• 특징
  • 먼저 온 고객을 먼저 서비스해주는 방식, 즉 먼저 온 순서대로 처리.
  • 비선점형 스케줄링, 일단 CPU를 잡으면 CPU brust가 완료될 때까지 CPU를 반환하지 않는다. 할당되었던 CPU가 반환될 때만 스케줄링이 이루어진다.
• 문제점
  • 소요시간이 긴 프로세스가 먼저 도달하여 효율성이 낮취는 현상이 발생한다.

SJF (Shortest-Job-First)

• 특징
  • 다른 프로세스가 먼저 도착했어도 CPU burst time이 짧은 프로세스에게 선 할당
  • 비선점형 스케줄링
• 문제점
  • 효율성을 추구하는게 가장 중요하지만 특정 프로세스가 지나치게 차별핟으면 안되는 것이다. 이 스케줄링이 극단적으로 CPU사용이 짧은 job을 선호한다. 그래서 사용 시간이 긴 프로세스는 거의 영원히 CPU를 할당 받을 수 없다.

SRT (Shortest Remaining time First)

• 특징
  • 새로운 프로세스가 도착할 때마다 새로운 스케줄링이 이루어진다.
  • 선점형 스케줄링, 현재 수행중인 프로세스의 남은 bursts time보다 짧은 CPU burst time을 가지는 새로운 프로세스가 도착하면 CPU를 뺏긴다.
• 문제점
  • 새로운 프로세스가 도달할 때마다 스케줄링을 다시하기 때문에 CPU burst time을 측정할 수가 없다.

Priority Scheduling

• 특징
  • 우선순위가 가장 높은 프로세스에게 CPU를 할당하겠다. 우선순위란 정수로 표현하게 되고 작은 숫자가 우선순위가 높다.
  • 선점형 스케줄링 방식, 더 높은 우선순위의 프로세가 도착하면 실행중인 프로세스를 멈추고 CPU를 선점한다.
  • 비선점형 스케줄링 방식, 더 높은 우선순위의 프로세스가 도착하면 Ready queue의 Head에 넣는다.
• 문제점
  • 무기한 봉쇄, 실행 준비는 되어있으나 CPU를 사용못하는 프로세그를 CPU가 무기한 대기한는 상태

Round Robin

• 특징
  • 현대적인 CPU스케줄링
  • 각 프로세스는 동일한 크기의 할당 시간을 갖게 된다.
  • 할당 시간이 지나면 프로세스는 선점당하고 ready queue의 제일 뒤에 가서 다시 줄을 선다.
  • RR은 CPU사용시간이 랜덤한 프로세스들이 섞여있을 경우에 효율적
  • RR이 가능한 이유는 프로세스의 context를 save할 수 있기 때문이다.
• 장점
  • Response time이 빨라진다, n 개의 프로세스가 ready queue에 있고 할당시간이 q인 경우 각 프로세그는 q 단위로 CPU 시간의 1/n을 얻는다. 죽, 어떤 프로세스도 (n-1)q time unit 이상 기다리지 않는다.
  • 프로세스가 기다리는 시간이 CPU를 사용할 만큼 증가한다, 공정한 스케줄이이라고 할 수 있다.

동기와 비동기의 차이

프로세스 동기화

메모리 관리 전략

가상 메모리

캐시의 지역성

교착상태의 개념과 조건

• 교착상태(Deadlcok)란?
  • 첫 번째 스레드는 두 번째 스레드가 들고 있는 객체의 락이 풀리기를 기다리고 있고, 두 번째 스레드 역시 첫 번째 스레드가 들고 있는 객체의 락이 풀리기를 기다리는 상황을 말한다.
  • 모든 스레드가 락이 풀리기를 기다리고 있기 때문에, 무기한 대기 상태에 빠지게 된다.
• 교착상태의 4가지 조건
  • 상호 배제: 한 번에 한 프로세스만 공유 자원을 사용할 수 있다.
  • 점유대기:
  • 비선점: 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원 접근을 강제로 취소할 수 없다.
  • 순환대기: 두 개 아상의 프로세스가 자원 접근을 기다리는데, 그 관계에 사이클이 존재한다.
• 교착상태 방지
  • 4가지 조건들 가운데 하나를 제거하면 된다.
  • 공유 자원 중 많은 경우가 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있기 때문에 1번 조건은 제거하기 어렵다.
  • 대부분의 교착상태 방지 알고리즘은 4번 조건, 즉 대기 상태의 사이클이 발생하는 일을 박는 데 초점이 맞춰져 있다.