OS - YunByungKwan/Fundamental GitHub Wiki

• 프로그램은 특정 작업을 수행할 수 있는 실행 가능한 파일을 말합니다.
• 프로세스는 간단히 얘기하면 실행 중인 프로그램을 말하고 프로그램이 실행되는 과정에서 메모리영역에 code, data, heap, stack 영역의 공간을 확보하고 PCB가 생성되게 됩니다.
  • code: Program의 코드가 저장되는 공간
  • data: 전역 변수(static 변수)가 저장되는 공간
  • heap: 동적으로 생성된 데이터(new 등)가 저장되는 공간
  • stack: 매개 변수, 지역 변수 등 임시 데이터가 저장되는 공간
• 쓰레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위를 말합니다. 같은 프로세스 내 여러 쓰레드들은 그 프로세스의 code, data, heap 영역을 공유하고 stack영역만 별도로 가지고 있는 특징이 있습니다.

PCB는 프로세스의 메타 데이터를 저장하는 자료 구조를 말합니다.
Linux 커널에서 PCB는 이중 Linked List 형태로 관리되며
프로세스가 생성될 때마다 그 프로세스에 대한 PCB가 생성되고
프로세스가 완료되면 PCB는 제거됩니다.
그리고 커널은 현재 실행 중인 프로세스를 가리키는 포인터를 유지합니다.
PCB에 저장된 정보는 아래와 같습니다.

• process number: 프로세스 식별자(PID)

• process state: 프로세스 상태

• program counter: 다음 실행할 명령어의 주소(pc)

• registers: CPU 레지스터 및 일반 레지스터

• memory limits: 메모리 관리 정보

• list of open files: 입출력 상태 정보

• ...

• PCB는 ready queue(Linked List)에서 관리된다

Context switching은 현재 진행하고 있는 Task(Process, Thread)의 상태를 저장하고
그 다음 진행할 Task의 상태 값을 읽어서 적용하는 과정을 말합니다.
그래서 프로세스의 Context Switching 발생 시
메모리에 기존 프로세스의 code, data, heap, stack 영역의 데이터들을 내리고
전환된 프로세스의 code, data, heap, stack 영역 데이터를 새로 올리는 과정이 수행됩니다.
그리고 CPU의 register에도 전환된 프로세스의 PCB에 있는 register블록으로 교체가 됩니다.
이렇게 전환되는 과정을 오버헤드가 발생한다고 하고 이 동안은 CPU가 다른 일을 못하게 됩니다.

• 멀티 프로세스

  • 하나의 작업을 여러 개의 프로세스가 처리하는 것을 말합니다.
  • 프로세스 간 통신(IPC)이 필요합니다.(다른 프로세스의 정보를 이용하기 위해)
  • 자식 프로세스 중 하나가 문제가 생겨도 다른 프로세스에 영향이 없습니다.
  • Context Switching 비용이 큽니다.(PCB를 저장하고 불러오는 과정)
  • Ex) Google Chrome(탭마다 서로 다른 프로세스)

• 멀티 쓰레드

  • 하나의 작업을 여러 쓰레드가 처리하는 것을 말합니다.
  • 같은 프로세스의 자원을 공유합니다.(code, data, heap)
  • Context Switching 비용이 적습니다.
  • 한 프로세스 안에 스레드가 문제가 생기면 같은 프로세스 내 다른 스레드들도 영향을 받는 단점이 있습니다.
  • 자원을 공유하는 만큼 충돌을 주의해야 합니다.(Thread-safe하도록)
  • Ex) Web Server

• 멀티 프로세스의 경우
  • Context Switching 발생 시 메모리에 code, data, heap, stack 영역의 데이터들을 내리고
    전환된 프로세스의 code, data, heap, stack 영역 데이터를 새로 올려야 함
  • CPU의 Register에 해당 프로세스의 PCB에 있는 Register들을 올려야 한다.
• 멀티 쓰레드의 경우
  • stack 영역만 교체한다.
  • CPU의 Register에 해당 쓰레드의 Register들만 교체하면 된다.

• 싱글 코어는 싱글 코어를 가진 CPU가 여러 개의 실행 단위를 처리할 때 짧은 텀으로 여러 실행 단위를 번갈아 가면서 실행해서 마치 동시에 진행되는 것처럼 보이는 것을 말합니다. (동시성)
• 멀티 코어는 여러 개의 코어를 가진 CPU가 여러 개의 실행 단위를 동시에 처리하는 것을 말합니다. (병렬성)

임계구역은 여러 개의 쓰레드가 수행되는 시스템에서 각 쓰레드들이
공유하는 데이터(변수, 테이블, 파일 등)를 변경하는 코드 영역을 말합니다.
(예를 들면 은행 계좌 예제에서 돈을 입금하거나 출금하는 코드 부분을 말함)

• 카운팅 세마포어: 값에 제한 없음
• 이진 세마포어: 0, 1 값만 가능(뮤텍스 락과 유사하게 동작)

CPU <-> Main memory

• CPU는 주소를 가지고 Main memory로 요청을 하거나, 해당 주소에 계산 결과를 저장한다.
• Main memory는 CPU가 요구하는 주소에 저장된 데이터를 CPU에게 전달한다.
• 프로그램은 메인 메모리에 해당 주소를 사용할 수 있는지 생각하지 않고 주소를 사용한다.
• 예를 들어 프로그램 시작 주소가 0번지일 때 MMU를 통과하면 재배치 레지스터에 의해서 실제 메인 메모리에는 500번지에 할당된다.
• 그래서 CPU에서 사용되는 주소(0번지)를 논리 주소(Logical address)라고 하고, 메인 메모리에서 사용하는 주소(500번지)를 물리 주소(Physical address)라고 부른다.

시간이 지나면서 프로세스들이 생성, 파괴됨에 따라서
메인 메모리에 비어 있는 공간들이 존재하게 되는데 이 현상을 메모리 단편화라고 부릅니다.

• 외부 단편화

  • 외부 단편화란?
    • 메모리 단편화에 의해 3개의 공간(50byte, 50byte, 100byte)가 있을 때, 새로운 프로세스 150byte를 할당하려고 하지만 하지 못하는 현상을 말한다.
  • 해결 방법
    • 페이징(Paging): 프로세스를 일정한 크기로 나눠서 메인 메모리에 흩어져서 올린다는 생각.

• 내부 단편화

  • 내부 단편화란?
    • 15byte의 프로세스가 있을 때 페이지 크기가 4byte라면 4,4,4,3의 크기로 총 4개의 페이지가 만들어진다. 마지막 페이지는 1byte가 놀게 되는데 이를 내부 단편화라고 한다.

• OS가 메모리를 관리하는 기법은 크게 2가지 가 있다.(연속적, 불연속적)

  • 연속적(1개의 프로그램이 메모리에 연속적으로 할당)
    • 고정 분할 기법: 메모리를 고정된 파티션으로 분할 => 내부 단편화 발생
    • 동적 분할 기법: 파티션들을 동적 생성하고 자신의 크기와 같은 파티션에 적재하는 것 => 외부 단편화 발생
  • 불연속적(1개의 프로그램이 메모리에 불연속적으로 할당)
    • 페이징(Paging): 프로세스를 page라는 조각으로 나누고, 물리 메모리를 frame이라는 조각으로 나눠서 페이지 테이블에 각각의 page와 frame을 매칭.(page 크기 = frame 크기). process 크기 < frame * N 일 경우 마지막 프레임이 전부 사용되지 않음(=> 내부 단편화 해결 못함)
    • 세그멘테이션(Segmentation): 프로세스를 논리적 내용을 기반으로 나눠서 메모리에 배치하는 것을 말한다.(=> 외부 단편화 발생할 수 있음) Ex) Process#1(10Byte) = segment#1(4Byte) + segment#2(4Byte) + segment#3(2Byte)

• 프로그램을 실행 -> 프로세스가 생성됨 -> 프로세스 주소 공간에 (코드, 데이터, 스택) 생성 -> 이 프로세스의 메타 데이터들이 PCB에 저장됨
• CPU의 구성 요소 중 레지스터가 있다. 레지스터는 고속기억장치로 명령어 주소, 코드, 연산에 필요한 데이터, 연산 결과 등을 임시로 저장하는 역할을 한다.