[CS 스터디] 운영체제 1

0. 시작 전에, 운영체제란?

참고 자료

운영체제란 하드웨어와 응용 프로그램 사이에 위치하여 하드웨어를 관리하고 시스템의 동작을 제어하는 시스템 소프트웨어를 말합니다. 사용하는 주 목적은 CPU, 메모리, 디스크 등의 하드웨어를 효율적으로 관리하기 위함입니다. 운영체제란 결국, 컴퓨터의 성능을 높이면서 사용자의 편의를 제공하는 목적으로 사용되는 컴퓨터 하드웨어 관리 프로그램입니다.

OS는 그러면 어디에 존재할까?

• OS는 유저 프로세스 안에서 조금씩 포함되어서 동작한다.

OS는 프로세스일까요?

• 프로세스 일수도 아닐 수도 있다.
• 이는 OS 자체가 프로세스라고 볼 수 힘들지만 모든 프로세스에 숨어서 동작하기 때문에 온전히 프로세스가 아니다라고도 볼 수 없습니다.

운영체제 구조

• 쉘 : 사용자가 커널에 보내고자 하는 명령어를 해석해 실제로 커널에 전달해주는 역할을 합니다.
• 커널 : 운영체제가 관리하고 동작하는 모든 내용을 담당하며 항상 메모리에 상주해 있습니다.

운영체제의 생명 주기는 컴퓨터와 동일하게 가져갑니다.

운영체제의 업무

• 프로세스 관리
  • 현재 CPU가 점유해야 할 프로세스 지정
  • CPU를 프로세스에 할당
  • 프로세스 간 공유자원 접근 및 관리
  • 즉, 프로세스, 쓰레드, 스케줄링 등을 관리합니다.
• 메모리 관리
  • 프로세스를 작업하는 과정에서 발생하는 메모리에 대한 할당 및 저장 관리를 합니다.
• 네트워킹
  • 네트워크를 통해 외부와 연결하고자 할 때, 네트워크 프로토콜을 지원합니다.
  • 인터넷을 위한 TCP/IP와 같은 내용이 포함됩니다.
• 사용자 관리
  • 파일이나 시스템 자원에 대한 접근 권한을 사용자 별로 상이하게 관리될 수 있도록 합니다.
• 디바이스 드라이버
  • 여러 물리적인 장치들과 연결해 동작할 수 있도록 기능을 제공합니다.

1. 시스템 콜이 무엇인지 설명해 주세요.

• 시스템 콜이란 사용자 프로그램이 운영체제의 기능을 사용하기 위해 호출하는 인터페이스입니다.
• 시스템 콜이 사용될 때에는 사용자 모드에서 커널 모드로 전환되어 동작합니다.

우리가 사용하는 시스템 콜의 예시를 들어주세요.

• 여러 리눅스 명령어들은 시스템 콜과 직접적인 연관이 있으며 해당 명령어들을 통해 시스템 콜을 호출할 수 있습니다.

• 프로세스 제어(System Control):
  • fork(): 새로운 자식 프로세스 생성.
  • exec(): 새로운 프로그램 실행.
  • wait(): 자식 프로세스의 종료를 기다림.
• 파일 관리(File Management):
  • open(): 파일 열기.
  • read(): 파일에서 데이터 읽기.
  • write(): 파일에 데이터 쓰기.
  • close(): 파일 닫기.
• 메모리 관리(Memory Management):
  • malloc(): 동적으로 메모리 할당.
  • free(): 동적으로 할당된 메모리 해제.
• 장치 관리(Device Management):
  • read(), write(): 장치 드라이버를 통한 입출력.
  • ioctl(): 장치에 대한 제어 명령 전송.
• 통신(Communication):
  • socket(): 네트워크 소켓 생성.
  • bind(), connect(): 소켓에 주소 연결 및 연결 요청.
  • send(), recv(): 데이터 송수신.
• 파일 시스템 관리(File System Management):
  • mkdir(): 디렉토리 생성.
  • rmdir(): 디렉토리 삭제.
  • stat(): 파일의 메타데이터 조회.
• 시그널 관리(Signal Management):
  • kill(): 프로세스나 그룹에 시그널 보내기.
  • signal(): 시그널 핸들러 설정.
• 시간(Time):
  • time(): 현재 시간 조회.
  • sleep(): 프로세스 일시 정지.
• 보안 및 권한 관리(Security and Permission):
  • chmod(): 파일의 권한 변경.
  • chown(): 파일의 소유자 변경.
• 프로세스 간 통신(Interprocess Communication):
  • pipe(): 파이프 생성.
  • msgget(), msgrcv(), msgsnd(): 메시지 큐 조작.
  • shmget(), shmat(), shmdt(): 공유 메모리 조작.

시스템 콜이, 운영체제에서 어떤 과정으로 실행되는지 설명해 주세요.

1. 프로세스가 System Call을 호출하면 trap이 발생하여 kernel mode로 진입
2. 요청이 들어온 System Call을 수행
3. return-from-trap을 발생시켜 user mode로 돌아간다.

트랩은 시스템 콜 연산을 발생시키는 것을 의미합니다.

시스템 콜의 유형에 대해 설명해 주세요.

• 프로세스 제어
  • 프로세스 생성 및 종료
  • 메모리에 로드, 실행
  • 프로세스 속성 값 확인, 지정
  • wait 이벤트, signal 이벤트
  • 메모리 할당
• 파일 관리
  • 파일 생성, 파일 삭제
  • 열기, 닫기
  • 읽기, 쓰기, Reposition
  • 파일 속성 값 확인, 지정
• 통신
  • 커뮤니케이션 연결 생성 및 삭제
  • 메시지 송신, 수신
  • 상태 정보 전달
  • remote 디바이스 해제 및 장착
• 장치 관리
  • 디바이스 요청 및 해제
  • 읽기, 쓰기, Reposition
  • 디바이스 속성 확인, 지정
  • 비 물리적인 디바이스 해제 및 장착

운영체제의 Dual Mode 에 대해 설명해 주세요.

• 사용자 모드와 커널 모드라는 두개의 다른 권한을 가진 형태로 구분하는 것을 의미합니다.
• 두 권한의 차이를 통해 의도나 목적에 따라 모드를 변경하고 유지할 수 있습니다.

왜 유저모드와 커널모드를 구분해야 하나요?

• 가장 큰 이유는 보안적인 측면입니다.
• 사용자 모드에서 사용자가 응용 프로그램을 사용하면서 제공되어야 할 최소한의 권한을 부여함으로써 운영 체제의 관리 범위에서 직접적인 영향을 주는 것을 피할 수 있습니다.
• 이에 반해 커널 모드에선 운영체제의 권한에 대한 접근을 허용해 실제 시스템 콜이 호출 되었을 때 해당 내용을 처리해줄 수 있도록 할 수 있습니다.
• 결국, 중요도와 위험도에 따라 모드를 다르게 해 더 안정적인 운영이 가능한 구조로 설계하기 위함입니다.

서로 다른 시스템 콜을 어떻게 구분할 수 있을까요?

• 커널은 내부적으로 시스템 콜의 구분을 위해 기능 별 고유번호를 할당한 것으로 알고 있습니다.
• 이 고유번호를 가지고 해당하는 호출될 함수를 결정합니다.

2. 인터럽트가 무엇인지 설명해 주세요.

• 인터럽트는 현재 실행 중인 프로세스나 작업을 중단하고 특정한 처리를 수행하기 위해 CPU의 제어를 전환시키는 메커니즘입니다.

인터럽트는 어떻게 처리하나요?

1. 인터럽트 요청
2. 프로그램 실행 중단
   • 현재 실행중이던 Micro Operation 까지 수행
3. 현재 실행중인 프로그램 상태 보관
   • Interrupt Vector 를 읽어 ISR 주소값을 얻는다.
   • ISR 로 점프한다.
   • 이 때, PC 값은 자동 대피 저장하고 현재 진행중인 프로그램의 레지스터를 대피
4. 인터럽트 서비스 루틴 처리
   • 인터럽트 원인을 파악하고 실질적인 작업 수행
   • 서비스 루틴 수행 중, 우선순위가 더 높은 인터럽트가 발생하면 재귀적으로 1~5 과정 수행
5. 상태 복구
   • 해당 작업을 다 처리하면, 대피시킨 레지스터를 복원한다
   • ISR 끝에 RETI 명령어에 의해 인터럽트 해제
   • 명령어가 실행되면, PC 값을 복원하여 이전 실행 위치로 복원

PC(Program Counter) : CPU 내부에 있는 레지스터 중의 하나로서, 다음에 실행될 프로그램 내의 명령어의 주소를 가지고 있어 실행할 기계어 코드의 위치를 지정한다. 때문에 명령어 포인터라고도 불린다.

인터럽트 핸들러 : ISR(Interrupt Service Routine)은 인터럽트가 발생했을 때 실행되는 함수 또는 서브루틴으로, 해당 인터럽트의 처리를 담당하는 코드 블록입니다.

인터럽트 벡터 : 인터럽트 발생 시 처리해야 할 ISR 주소를 보관하고 있는 테이블

Polling 방식에 대해 설명해 주세요.

• 높은 순위의 인터럽트부터 시스템에서 외부 장치나 상태를 주기적으로 확인 및 조사 하고, 이상이 발생하는 경우 이벤트로 인식하고 처리해주는 방식을 의미합니다.
• 직관적이고 단순한 형태로 동작하지만 그 만큼 비동기적으로 지속적인 동작이 반복해 리소스의 낭비가 인터럽트에 비해 심하다고 할 수 있습니다.

HW / SW 인터럽트에 대해 설명해 주세요.

• 하드웨어(HW) 인터럽트
  • 하드웨어 장치에서 발생하는 인터럽트로, 외부 장치에서의 신호나 이벤트에 의해 발생합니다.
  • 예를 들어, 키보드의 키를 누르거나 마우스를 클릭하는 경우가 하드웨어 인터럽트의 예입니다.
  • 또는 정전과 전원 이상, 기계 고장과 같은 오류로 인한 인터럽트도 포함됩니다.
• 소프트웨어(SW) 인터럽트
  • 소프트웨어 명령에 의해 발생하는 인터럽트로, 주로 프로그램 실행 도중 명령어에 의해 발생합니다.
  • 예를 들어, 프로세스가 시스템 호출을 하거나 예외 상황(0으로 나누기 등)이 발생하는 경우가 소프트웨어 인터럽트의 예입니다.

동시에 두 개 이상의 인터럽트가 발생하면, 어떻게 처리해야 하나요?

• 인터럽트의 우선순위에 따라 처리됩니다.
• 구체적인 우선 순위는 다음과 같습니다.
  • 정전•전원이상 인터럽트 > 기계고장 인터럽트 > 외부 인터럽트 > 입출력 인터럽트 > 프로그램 검사 인터럽트 > SVC(SuperVisor Call)

Nested 방식이라는게 있나

3. 프로세스가 무엇인가요?

• 운영체제가 프로그램을 실질적으로 동작하기 위해 필요한 단위로써 하나의 인스턴트로 볼 수 있습니다.
• 즉 프로그램을 실행시키면 CPU를 차지해 프로그램을 요청에 따라 동작시키는 녀석이 프로세스입니다.
• 프로세스는 고유의 PID를 가지며 운영체제에 의해 메모리를 할당받아 동작합니다.

프로그램과 프로세스, 스레드의 차이에 대해 설명해 주세요.

• 프로그램 : 파일 시스템에 존재하는 실행파일 과 기타 여러 파일들의 모음
• 프로세스 : 이러한 파일 모음인 프로그램을 운영체제 위에서 실행하고 동작시키는 객체
• 쓰레드 : 프로세스 내에서 나뉘는 작업 단위로서 프로세스의 자원을 공유합니다.

PCB가 무엇인가요?

참고자료

참고자료

• 프로세스마다 마다 현재 상태를 하나의 데이터 구조에 저장하여 관리하는데, 이를 Process Control Block(PCB)라고 부릅니다.
• PCB는 다른 프로세스들이 쉽게 접근할 수 없으며 커널 영역에서 관리합니다.

PCB는 이미지, 프로세스 컨텍스트로 나뉘며 상세 내용에 대해서 좀 더 알아보기.

• PCB의 구성요소는 프로세스의 구성요소와 동일하다. 프로세스에 대한 정보를 표현하기 위해서

그렇다면, 스레드는 PCB를 갖고 있을까요?

참고자료

• 독립적인 PCB를 가지지는 않습니다. PCB는 프로세스 단위로 생성 및 관리되기 때문입니다.
• 하지만 PCB 내에서 TCB 영역에 쓰레드 별로 생성되어 관리될 수 있습니다.

리눅스에서, 프로세스와 스레드는 각각 어떻게 생성될까요?

• 프로세스 생성 명렁어
  • system()
    • 프로그램 안에 새로운 프로그램을 생성하며 이 과정에서 프로세스가 생성될 수 있습니다.
    • 쉘에 직접 요청을 보내고 응답을 기다렸다 생성하게 되므로 비효율적입니다.
  • fork()
    • 부모 프로세스에서 실행되면 자식 프로세스를 생성합니다.
    • 생성이 되면 두 프로세스는 동시에 동작하게 됩니다.
  • exec()
    • 새로운 프로세스를 기존 프로세스의 메모리 공간에 덮어 씌우는 형태로 동작합니다.
• 스레드 생성 명렁어
  • pthread_create()
    • 해당 명령어를 통해 스레드를 새로 생성할 수 있으며 인자는 4가지입니다.
    • thread: 생성된 스레드의 식별자를 저장할 변수의 포인터입니다.
    • attr: 스레드의 특성을 정의하는 속성을 나타내는 포인터입니다. 보통 NULL로 설정하면 기본 속성이 사용됩니다.
    • start_routine: 생성된 스레드가 실행할 함수의 포인터입니다. 이 함수는 void * 타입의 인자를 받아 스레드의 작업을 수행하고 void * 타입의 결과를 반환합니다.
    • arg: start_routine 함수에 전달되는 인자입니다.

자식 프로세스가 상태를 알리지 않고 죽거나, 부모 프로세스가 먼저 죽게 되면 어떻게 처리하나요?

참고 자료 1

참고 자료 2

• 자식 프로세스가 상태를 알지 못하고 종료될 경우, 부모 프로세스에서 종료 여부를 알지 못한다면 메모리에 그대로 프로세스가 존재하면서 부모 프로세스가 종료될 때까지 사라지지 않게 됩니다.(= 좀비 프로세스)
• 이러한 경우는 wait() 시스템 콜을 통해 해결해볼 수 있습니다.
• wait() 시스템 콜은 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료를 확인할 때까지 대기하는 함수이며 이를 통해 자식 프로세스가 종료 사실을 알리지 못하는 경우를 방지할 수 있습니다.

• 다만 이러한 경우, 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스는 다른 작업을 처리하지 못하므로 자식 프로세스에서 종료 시 시그널을 보내 wait() 함수를 호출하도록 구현할 수 있습니다.

• 반대로 부모 프로세스가 먼저 죽는 경우, 남은 자식 프로세스는 고아 프로세스라고 합니다.
• 이런 경우, init 프로세스가 새로운 부모 프로세스로 지정되며 자식 프로세스의 종료에 대한 책임을 가지도록 동작합니다.

리눅스에서, 데몬프로세스에 대해 설명해 주세요.

참고 자료

• 사용자가 직접 제어하지 않고 백그라운드에서 대기하면서 요청이 들어올 때 적절한 처리를 해주는 프로세스를 의미합니다.
• 리눅스에서 대부분 끝자리에 d가 붙은 프로세스들이 데몬프로세스라고 볼 수 있습니다.
  • sshd : 암호화 원격 작업
  • vsftpd : FTP, 파일 전송 작업
  • httpd : 브라우저를 통해 웹문서 페이지 출력 작업
  • mysqld : DB 관리 작업
  • sendmail : 메일 전송 작업
• 시스템 부팅 과정이나 무중단 서비스에 경우 사용됩니다.
• 대부분 init 프로세스의 자식 프로세스로 존재합니다.
• 보안성과 안정성에 주의

4. 프로세스 주소공간에 대해 설명해 주세요.

참고 자료

• Stack 영역
  • 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역입니다.
  • 재귀 함수가 너무 깊게 호출되거나 함수가 지역변수를 너무 많이 가지고 있어 stack 영역을 초과하면 stack overflow 에러가 발생할 수 있어 주의해야 합니다.
• Heap 영역
  • 주로 참조형 데이터 (ex. 클래스) 등의 데이터가 할당되며 런타임에 크기가 결정되는 영역입니다.
• Data 영역
  • 전역 변수나 Static 변수 등 프로그램이 사용할 수 있는 데이터를 저장하는 영역이다.
  • 프로그램의 시작과 함께 할당되며, 프로그램이 종료되면 소멸한다.
• Text (Code) 영역
  • 프로그램이 실행될 수 있도록 CPU가 해석 가능한 기계어 코드가 저장되어 있는 공간으로, 프로그램이 수정되면 안 되므로 ReadOnly 상태로 저장 되어있다.

Optional한 영역도 존재한다.

초기화 하지 않은 변수들은 어디에 저장될까요?

• BSS(Block Stated Symbol) 영역에 저장됩니다.
• 초기화 된 전역 변수들은 데이터 영역에 그렇지 않은 전역 변수들은 BSS 영역에서 관리하게 됩니다.
• 이후 초기화가 된다면 데이터 영역으로 이동합니다.

일반적인 주소공간 그림처럼, Stack과 Heap의 크기는 매우 크다고 할 수 있을까요? 그렇지 않다면, 그 크기는 언제 결정될까요?

• 우선 두 영역은 사실 같은 메모리 공간을 공유하며 주소 기준으로 Stack은 위에서 아래로, Heap은 아래에서 위로 메모리를 할당합니다.
• 컴파일 단계에서는 정적으로 영역이 정해지며 스택은 한계 영역이 있습니다.
• 두 메모리의 크기는 매우 크다고 할 수 없습니다. 때에 따라서는 메모리의 크기 이상으로 필요한 경우가 생길 수 있습니다.
• 그렇기에 두 영역의 크기는 동적으로 변경이 가능합니다.
• 즉, 런타임 단계에서 필요에 따라 메모리를 늘릴수도, 줄일수도 있으며 유연한 형태로 요구사항에 따라 메모리를 활용할 수 있습니다.

그림마다 스택, 힙 저장 방향이 다른 경우도 있다.

Stack과 Heap 공간에 대해, 접근 속도가 더 빠른 공간은 어디일까요?

• Stack 영역이라고 할 수 있습니다.
• Stack의 경우, 함수의 흐름을 관리하기 때문에 접근할 수 있는 변수의 공간이 제한적입니다.
• 하지만 Heap의 경우 상대적으로 메모리 할당 및 삭제의 작업이 빈번하게 발생하며 제한적이지 않기 때문에 접근을 위해 조회해야 할 메모리 공간이 넓을 수 있습니다.

다음과 같이 공간을 분할하는 이유가 있을까요?

• 역할의 분리를 통해 메모리 공간을 효율적으로 사용하기 위함이 있습니다.
  • 필요성에 따라 메모리 할당량을 구분해 제공 및 설계
  • Heap이나 Data 영역에 데이터를 저장함으로써 여러 스레드에서 공유
• 또한 역할에 따라 메모리를 분리했기 때문에 다른 영역에 대한 접근을 제한둠으로써 안정성을 확보할 수 있습니다.

스레드의 주소공간은 어떻게 구성되어 있을까요?

• Stack 영역만을 별도의 공간으로 가지며 이 외 다른 공간은 하나의 프로세스 내에서 공유합니다.
• 이는 스레드 별로 수행하는 함수의 흐름을 별도로 관리하기 위함입니다.

좀 더 구체적인 구분된 명칭을 조사 필요

“스택”영역과 “힙”영역은 정말 자료구조의 스택/힙과 연관이 있는 걸까요? 만약 그렇다면, 각 주소공간의 동작과정과 연계해서 설명해 주세요.

• 스택 영역의 경우 자료구조 스택과 동일한게 선입후출 방식으로 동작합니다.
• 이는 함수의 동작 흐름이 가장 마지막에 호출된 함수부터 처리해야 하기 때문이고 이러한 방식에서 불필요한 메모리 공개를 제한하기 위함입니다.
• 하지만 힙 영역의 경우, 완전 이진 트리 구조인 힙 구조와는 연관이 없습니다.
• 데이터가 추가될 때마다 힙정렬을 하지 않고 데이터를 저장하고 관리하며 메모리 공간은 동적으로 변하는 방식입니다.

스택 영역은 컴파일 단계에서 고정된다? 힙영역은 동적관리가 된다?

IPC의 Shared Memory 기법은 프로세스 주소공간의 어디에 들어가나요? 그런 이유가 있을까요?

참고 자료

참고 자료

• IPC(Inner Process Communication)란 CPU의 개수가 늘어나고 여러 프로세스를 동시가 실행하는 환경에서 프로세스 간의 데이터 공유를 위한 목적으로 사용되는 기법입니다.
• 이는 프로세스간의 상태를 확인하기 위함의 목적이 있다고 볼 수 있습니다.
• 그 중 Shared Memory 기법은 커널 영역에 별도의 메모리 공간을 할당하고 키를 부여해 키를 통해 여러 프로세스가 하나의 데이터에 접근하고 공유가 되도록 하는 방식을 의미합니다.
• Shared Memory는 커널에서 관리하며 별도의 메모리 공간을 가집니다. 그리고 각 프로세스들은 이 메모리를 바라보고 있을 별도의 메모리 공간을 할당해야 합니다.
• 이는 프로세스 내에서 텍스트 영역과 데이터 영역 사이에 저장됩니다.
• 또한 Shared Memory에 저장되는 데이터 또한 static한 성격을 가집니다. 이는 다른 프로세스에서 접근이 용이하고 관리가 편리해야 하는데 그러기 위해선 정적으로 메모리를 할당받고 변하지 않는 두 영역 사이가 적합하기 때문입니다.

JVM와 프로세스 주소 공간은 별도로 할당되는가?

• 프로세스가 할당방은 메모리 영역을 JVM이 독립적인 환경으로 구성해 사용하는 것이 맞다고 볼 수 있습니다.

5. 단기, 중기, 장기 스케쥴러에 대해 설명해 주세요.

참고 자료

• 장기 스케줄러
  • 새로운 프로세스가 들어올 때, 어떤 프로세스를 준비큐에 넣어줄 지 결정하는 역할을 하는 스케줄러 입니다.
  • 상대적으로 많이 호출되지 않으며, 처리 속도가 느리다는 특징이 있습니다.
• 단기 스케줄러
  • 준비 상태인 프로세스 중에서 어떤 프로세스를 CPU에 할당할 지 정해주는 스케줄러 입니다.
  • 실제 스케줄러라고 하면 단기 프로젝트라고 의미합니다.
  • 매우 빠른 속도로 처리가 되어야 하며 자주 호출됩니다.
• 중기 스케줄러
  • 메모리에 적재될 프로세스의 수를 동적으로 할당하고 관리하는 역할을 하는 스케줄러 입니다.
  • 만약 모든 프로세스에 메모리를 할당하게 되면 프로세스당 가질 수 있는 메모리는 적어지기에 성능이 저하되고 메모리가 부족한 문제가 발생할 수 있습니다.
  • 이를 위해 특정 프로세스의 메모리 내용을 통째로 가져와 디스크 스왑 영역에 저장하기도 하는데 이를 스왑아웃이라고 합니다.
  • 중기 스케줄러는 봉쇄 상태나 때에 따라서 준비 상태 중 문제가 발생하지 않을 프로세스에 대해서 스왑아웃과 반대로 스왑인을 통해 프로세스의 수를 관리하고 메모리를 확보합니다.
  • 스왑 아웃이 되면 중지 -> 중지 준비, 봉쇄 -> 봉쇄 중지 상태로 표현합니다.

현대 OS에는 단기, 중기, 장기 스케쥴러를 모두 사용하고 있나요?

참고 자료

• 가상 메모리 관리가 발달하면서 장기 스케줄러의 경우, 필요성이 낮아져 사용하지 않는 추세라고 할 수 있습니다.
• 가상 메모리 관리를 통해 프로세스에 대한 메모리 할당에 제한이 없어지면서 프로세스가 생성되면 자동으로 메모리를 할당하게 됩니다.
• 또한 중기 스케줄러도 가상 메모리 관리로 필요한 데이터만 메모리로 로드되기 때문에 중요성이 떨어지는 부분도 있습니다.

가상 메모리 관리: 프로그램이 CPU에 의해 실제로 사용되는 부분만 메모리에 로드하고 사용하지 않는 부분은 디스크에서 관리하는 방식

프로세스의 스케쥴링 상태에 대해 설명해 주세요.

1. 생성 (New): 프로세스가 생성되었지만 아직 운영체제에 의해 초기화되거나 시작되기 전의 상태입니다.
2. 준비 (Ready): 프로세스가 실행을 위해 모든 준비가 완료되었으며, CPU를 할당받기를 기다리는 상태입니다. 단기 스케줄러에 의해 다음에 실행될 프로세스들 중 하나로 선택될 수 있습니다.
3. 실행 (Running): 프로세스가 현재 CPU에서 실행되고 있는 상태입니다. 한 번에 하나의 프로세스만이 실행될 수 있습니다.
4. 차단 (Blocked 또는 Waiting): 프로세스가 특정 이벤트가 발생하기를 기다리거나, 예를 들어 입출력 완료와 같은 외부 이벤트를 기다리며 일시 중단된 상태입니다. 이벤트가 발생하면 프로세스는 준비 상태로 돌아갈 수 있습니다.
5. 종료 (Terminated): 프로세스가 실행을 완료하거나 종료 요청을 받아서 종료된 상태입니다. 종료된 프로세스는 시스템에서 완전히 제거됩니다.

preemptive/non-preemptive 에서 존재할 수 없는 상태가 있을까요?

참고 자료

• preemptive : 현재 다른 프로세스가 실행중일지라도 이룰 중단하고 다른 프로세스가 CPU를 점유할 수 있는 방식
• non-preemptive : 현재 실행중인 프로세스가 종료될 때까지 다른 프로세스가 중간에 CPU를 가로챌 수 없는 방식

이와 같은 내용을 고려했을 때, 상태는 모드 가져갈 수 있습니다. 하지만 블록 상태로 넘어갔을 때, 선점의 경우는 다시 실행상태로 넘어갈 수 있고

Memory가 부족할 경우, Process는 어떠한 상태로 변화할까요?

아래와 같이 상태가 변할 수 있습니다.

• Blocked : 메모리가 확보되고 다시 프로세스가 동작할 수 있을 때까지 대기 상태로 변경할 수 있습니다.
• Terminated : 더 이상 실행이 불가능하고 판단하고 강제 종료시킬 수 있습니다.
• Swapping : 스왑 아웃을 통해 해당 프로세스의 메모리를 디스크의 스왑 영역으로 옮겨서 해결할 수 있습니다.

6. 컨텍스트 스위칭 시에는 어떤 일들이 일어나나요?

1. 컨텍스트 스위칭 원인 발생 : 여러 원인 중 하나가 발생하면 컨텍스트 스위칭이 발생합니다.
2. 커널 모드 전환
3. 현재 프로세스 작업 상태를 저장 : 기존에 작업하던 프로세스의 레지스터 상태, 메모리 위치, PC 등의 중요한 정보를 PCB에 저장합니다.
4. 다음 작업을 선택 : 다음에 실행한 프로세스를 선정합니다.
5. 선택한 작업 내용을 복원 : 선정된 프로세스의 작업 내용을 PCB에서 확인하고 주요 정보들을 복구합니다.
6. 사용자 모드 전환
7. 작업 실행 : 복구된 상태에서 작업을 실행합니다.

프로세스와 쓰레드는 컨텍스트 스위칭이 발생했을 때 어떤 차이가 있을까요?

• 프로세스의 경우, 다른 프로세스와의 공유 데이터가 없으므로 컨텍스트 스위칭 발생 시 많은 부분을 변경해야 합니다.
• 이전 프로세스가 쌓아놓은 데이터를 모두 제거하고 새로운 작업 환경을 만들어야 한다는 의미입니다.
• 하지만 쓰레드의 경우, 프로세스 내에서 공유하는 메모리가 존재하므로 상대적으로 더 적은 오버헤드로 스위칭이 가능하며 속도가 빠를 수 있습니다.

그렇다면 쓰레드의 컨텍스트 스위칭이 발생하면 CPU에선 바뀌는 지점이 없는건가?

• 아닙니다.
• 쓰레드가 다음 실행한 명령어 주소를 가진 PC나 쓰레드의 스택 상태를 가르키는 스택 포인터와 같은 데이터들이 변경되므로 CPU 측면에서도 차이가 발생합니다.

컨텍스트 스위칭이 발생할 때, 기존의 프로세스 정보는 커널스택에 어떠한 형식으로 저장되나요?

PCB 정보 포인터만 추가된다?

• 레지스터 값 저장, 상태 프래임 저장..?

컨텍스트 스위칭은 언제 일어날까요?

참고 자료

1. I/O interrupt
2. CPU 사용시간 만료
3. 자식 프로세스 Fork
4. 인터럽트 처리를 기다릴 때

HW 인터럽트, SW 인터럽트, 외부 인터럽트, 내부 인터럽트 별로 구분해 볼 수도 있겠다.

7. 프로세스 스케줄링 알고리즘에는 어떤 것들이 있나요?

1. 선입선처리 스케줄링(FIFO : First In First Out, FCFS: First Come First Served)
   • 말 그대로 먼저 들어온 프로세스를 먼저 처리하고 그 다음 프로세스들은 대기하는 방식입니다.
   • 단순한 스케줄링으로 구현이 쉽고 모든 프로세스가 동작할 수 있습니다.
   • 다만 작업이 단순한 프로세스여도 대기시간은 앞 프로세스로 인해 길어질 수 있습니다.(비효율적)
2. 최소 작업 우선 스케줄링(Shortest Job First)
   • 작업 소요 시간이 가장 짧은 작업을 우선으로 처리하는 방식입니다.
   • 선입선처리 방식에서 대기시간에 대한 단점을 보안하고 선점이 가능한 구조로 동작합니다.
   • 하지만 작업시간이 긴 작업의 경우는 우선순위가 계속 밀려 기아가 발생할 수 있습니다.
3. 우선 순위 스케줄링(Priority)
   • 우선순위를 부여하고 우선순위가 높은 프로세스부터 처리하는 방식입니다.
   • 중요한 문제부터 처리해 효율성을 가져올 수 있습니다.
   • SJF와 동일하게 기아 문제가 발생할 수 있지만 에이징 기법을 통해 대기 시간이 길어지면 에이지를 부여해 우선순위를 높여줄 수 있습니다.
4. 라운드 로빈(Round Robin)
   • 작은 단위의 시간 할당량(Time-Slice)를 정의하고 그 시간 만큼 처리하고 다음 작업으로 이동하는 방식입니다.
   • 이를 통해 평균 대기 시간은 다른 방식에 비해 줄어들 수 있습니다.
   • 하지만 상대으로 time-slice가 작다면 잦은 Context Switching으로 더 큰 비용이 발생할 수 있습니다.

RR을 사용할 때, Time Slice에 따른 trade-off를 설명해 주세요.

• Time Slice가 작을 경우
  • 모든 데이터들을 처리하는데 공정하게 처리하며 정해진 시간 동안 빠르게 분활해 처리해주기 때문에 빠른 응답속도를 가질 수 있습니다.
  • 하지만 잦은 변경으로 Context Switching이 자주 발생히 비용적인 부담을 가지게 됩니다.
• Time Slice가 높을 경우
  • Context Switching은 거의 일어나지 않아 비용적으로 부담을 없습니다.
  • 하지만 FCFS 방식과 크게 다르지 않은 형태로 동작하게 됩니다. 이는 대기시간이 길어져 처리 시간도 느려진다는 의미를 가집니다.

싱글 스레드 CPU 에서 상시로 돌아가야 하는 프로세스가 있다면, 어떤 스케쥴링 알고리즘을 사용하는 것이 좋을까요? 또 왜 그럴까요?

• 개인적인 의견으로 상시로 돌아가야 하는 프로세스라면 일정한 주기로 꼭 처리되어야 할 가능성이 있다고 생각이 됩니다.
• 그럴 경우에는 처리가 완전히 되어야 하기 때문에 기아 문제가 발생하는 것을 방지해야 하는 목적으로 FCFS를 선택해볼 수 있을 것 같습니다.
• 하지만 처리 시간이 길어져 다른 프로세스에 영향을 준다면 RR을 사용해 응답시간을 최소화해볼 수 있을 것 같습니다.
• 우선순위 스케줄러도 적합할 수 있다.

리얼 타임 스케줄링을 의미하는 것이라면?

동시성과 병렬성의 차이에 대해 설명해 주세요.

참고 자료

• 동시성
  • 여러 작업을 동시에 처리하는 것처럼 보이지만 사실 여러 작업을 짧은 시간동안 번갈아가면서 반복 작업을 해 동시에 처리되는 것처럼 보이게 하는 개념입니다.
  • 이는 단일 코어에서 하나의 프로세스를 처리하는데 여러 쓰레로 동작을 구현할 때 적용될 수 있습니다.
• 병럴성
  • 실제로 독립적인 환경에서 각각의 프로세스가 동시에 처리되는 것을 의미합니다.
  • 이는 멀티 코어 환경에서 적용이 가능한 개념입니다.

타 스케쥴러와 비교하여, Multi-level Feedback Queue는 어떤 문제점들을 해결한다고 볼 수 있을까요?

참고 자료

• MLFQ의 경우, 우선순위에 따른 큐를 여러개 두고 아래와 같은 규칙을 통해 동작하는 스케줄러라고 할 수 있습니다.
• 이러한 규칙 중 5번을 지키기 위해 일정 주기가 되면 낮은 우선 순위에 있는 프로세스들을 상향 조정하게 되고 이는 boost 기능이라고 합니다.
• 즉, 기아 문제로 남아있을 뻔한 프로세스들에게 일정 주기 만큼 우선순위를 높혀줌으로써 실행될 수 있는 가능성을 높혀준다는 의미입니다.
• 이를 통해 기아 문제에 대해서 조금 더 해결책을 내놓은 스케줄러라고 할 수 있습니다.

FIFO 스케쥴러는 정말 쓸모가 없는 친구일까요? 어떤 시나리오에 사용하면 좋을까요?

• 아무래도 동시성에 대한 중요도가 높은 경우가 대다수이고 처리 속도를 높여줄 만큼 하드웨어적인 지원이 가능한 경우가 많기에 FIFO에 대한 사용이 줄어들 수 있지만
• 안정적이고 단순한 구조로 처리가 가능하다라는 점에선 강점을 가지고 있다고 생각합니다.
  • 기아 문제 발생 없이 꼭 처리되어야 하며 처리 시간이 다른 작업에 영향을 주지 않는 정도인 경우
  • 그리고 우선순위를 정하는 기준이 모호하거나 필요성이 떨어지는 경우
  • 간단한 스케줄링을 요구하는 경우
  • 가벼운 작업을 진행하는 경우 굳이 다른 알고리즘을 쓸 필요가 없다고 생각합니다.
  • 하지만 작업이 커지고 확장됨에 따라 변경에 대한 고려를 해야합니다.

유저 스레드와 커널 스레드의 스케쥴링 알고리즘은 똑같을까요?

• 유저 스레드
  • 응용 프로그램 내에서 관리되고 동작하는 스레드를 의미하며 런타임 라이브러리에서 관리가 됩니다.
  • 즉, 응용 프로그램에서 관리되는 스레드를 의미합니다.
• 커널 스레드
  • 운영 체제에서 관리되는 스레드입니다.
• 다른 점은?
  • 커널 스레드에서는 멀티 코어 환경과 같은 병렬성과 동시성을 고려해 위와 같은 복잡한 알고리즘들(MLQS, CFS)을 사용하는 경우가 많습니다.
  • 이에 반해 유저 스레드는 단순한 형태의 알고리즘을 사용하는 경우가 많습니다. 또는 직접 설계도 가능합니다.

CFS

• Complitely Fair Scheduler의 약자
• CPU에 공정한 할당 및 사용을 목표로 구현된 알고리즘
• 프로세스 별로 부여된 Time slice를 모두 소진한 경우, 다른 프로세스들이 Time Slice를 소진할 때까지 CPU 할당을 받지 못하게 구현
• 이를 통해 모든 프로세스들이 공정한 CPU 사용을 하도록 동작