[CS] 운영체제

 

 

 

 

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01  운영체제

 

Section  1.  운영체제  기초

 

1.  기억장치

⑴  기억장치의  개념

 데이터, 프로그램, 연산의  중간  결과  등을  일시적  또는  영구적으로  저장하는  장치

⑵  기억장치의  종류

1)  레지스터 (CPU옆 고속메모리, 빠름)
2)  캐시  메모리
3)  주기억장치 (RAM 휘발성, ROM 비휘발성)
4)  보조기억장치 (HDD, SSD)
5)  연관  메모리

 

2.  시스템  소프트웨어

⑴  시스템  소프트웨어의  종류

 링커  :  목적  파일(Object  File) 을  실행  파일(Execute  File) 로  변환해  주는  프로그램 
 로더  :  목적  프로그램을  메모리에  적재하고  배치  주소를  옮기는  프로그램
 유틸리티 (컴퓨터를 관리하거나, 정상적으로 돌아가도록 유지하는 소프트웨어)
 번역기 (컴파일러, 어셈블러)
 장치  드라이버
 운영체제

⑵  시스템  소프트웨어의  구성

1)  제어  프로그램 ⭐(감작데) 
 감시  프로그램(Supervisor  Program)
 작업관리  프로그램(Job  Control  Program)
 데이터  관리  프로그램(Data  Control  Program)

2)  프로그램 처리
 서비스  프로그램(Service  Program)
 문제  프로그램(Problem  Program)
 언어  번역  프로그램(Language  Translator  Program)

 

3.  운영체제

⑴  운영체제의  기능

 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 간의 인터페이스 담당
 프로세스  관리
 메모리  관리
 파일  관리
 입출력  관리 
 보조기억장치  관리
 네트워킹
 정보  보안  관리
 명령해석

⑵  운영체제  운용  기법

 일괄  처리  시스템(Batch  Processing  System) (일정량 또는 일정 기간 동안 데이터를 모아서 한꺼번에 처리)
 실시간  처리  시스템(Real  Time  Processing) (데이터 발생 즉시, 또는 데이터 처리 요구가 있는 즉시 처리)
 다중  프로그래밍  시스템(Multi  Programming) (하나의 CPU와 주기억장치, 여러 개의 프로그램을 동시에 처리)
 시분할  시스템(Time  Sharing) (여러 명의 사용자가 사용하는 시스템에서 컴퓨터가 사용자들의 프로그램을 번갈아가며 처리해 줌으로써 각 사용자에게 독립된 컴퓨터를 사용하는 느낌을 주는것으로, 라운드 로빈 방식)
 다중  처리  시스템(Multi-Processing) (여러 개의 CPU와 하나의 주기억장치, 여러 개의 프로그램을 동시에 처리)
 다중  모드  시스템(Multi-Mode) (일괄 처리 시스템, 시분할 시스템, 다중 처리 시스템, 실시간 처리 시스템을 한 시스템에서 모두 제공)
 분산  처리  시스템(Distribute  Processing) (여러 개의 컴퓨터를 통신 회선으로 연결하여 하나의 작업을 처리)

 

4.  운영체제의  종류

⑴  윈도우(Windows) 

 MS-DOS 의  멀티태스킹  기능과  GUI 환경을  제공하는  운영체제

⑵  리눅스(Linux)

 1991년  리누스  토발즈에  의해  오픈소스로  개발된  유닉스  호환 OS

⑶  유닉스(Unix) 0️⃣(용어 자체)

1)  Unix  시스템의  구성
 커널(Kernel),  쉘(Shell), 유틸리티 프로그램(Utility  Program)

2)  Unix  파일  시스템 ⭐
 부트블록 : 부팅시  필요한  정보
 슈퍼블록 : 전체  파일  시스템에  대한  정보
 I-node 블록 : 파일이나 디렉터리에  대한  정보
 데이터 블록 : 실제  파일에  대한  데이터  정보

3) 파일  디스크립터 (FD,  File  Descriptor) 
 유닉스  시스템에서  프로세스가  파일들을  접근할  때  이용

- 파일 접근 권한 관리 🧮
    - 권한 변경 chmod
        - 권한 : read4 write2 excute1
        - 소유주 그룹 나머지
        - chmod 751 a.text 0️⃣
    - 접근 권한 마스크
        - 기본 : 파일 666, 디렉터리 777
    - 소유주 변경 chown
- 파일 구조 중 색인 1️⃣

4)  POSIX(Portable  Operating  System  Interface)
 이식  가능한  운영체제  인터페이스

⑷  MacOS

 애플사가  개발한  유닉스  기반의  운영체제

 

윈도즈 : 중/소규모 서버, 일반 pc
유닉스 : 대용량 처리, 엔터프라이즈 급 서버
리눅스 : 중/대규모 서버 대상, 높은 보안성, 비용 가장 적음
안드로이드 : 리눅스 위에서 구동, 자바와 코틀린으로 작성
IOS : 높은 보안성, 고성능

 

Section  2.  메모리  관리

 

1.  기억장치  관리  전략

⑴  반입 전략 (Fetch) 

 보조기억장치에  보관  중인  프로그램이나  데이터를  언제  주기억장치로  적재할  것인지를  결정하는  전략
 요구  반입(요구할 때), 예상  반입(미리 예상)

⑵  배치 전략 (Placement) 

 새로  반입되는  프로그램이나  데이터를  주기억장치의  어디에  위치시킬  것인지를  결정하는  전략
 최초  적합 (First  Fit)(처음 만난 구멍), 최적 적합(Best  Fit)(가장 잘 맞는 크기의 구멍),  최악 적합 (Worst  Fit)(가장 많이 남는 크기의 구멍)

⑶  교체 전략 (Replacement) 

 이미  사용되고  있는  영역  중에서  어느  영역을  교체하여  사용할  것인지를  결정하는  전략
 종류  등 :  FIFO,  OPT,  LRU,  LFU,  NUR,  SCR 
OPT - Optimal: 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지 교체
FIFO - First In First Out: 가장 먼저 들어온 페이지를 교체
LRU - Least Recently Used: 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체
LFU - Least Frequently Used: 참조 횟수가 가장 적은 페이지 교체
MFU - Most Frequently Used: 참조 횟수가 가장 많은 페이지 교체
NUR - Not Used Recently: 최근에 사용하지 않은 페이지 교체
SCR - Second Chance Replacement: FIFO에서 한 번 더 기회를 주고 교체

 

2.  단편화 🧮

⑴  단편화의  개념

 주기억장치에  프로그램을  할당하고  반납하는  과정에서  발생하는  사용되지  않는  작은  조각  공간

⑵  단편화의  종류

 내부  단편화 : 공간을  할당  후  사용되지  않고  남아있는  공간 
 외부  단편화 : 프로그램이  할당될  수  없어  사용되지  않고  남아있는  공간

⑶  단편화  해결  방법

 통합(Coalescing)  :  인접해  있는  공간을  하나로  통합 
 압축(Compaction)  : 주기억장치  내  분산되어  있는  단편화  공간들을  통합   
 재배치(Relocation)  :   프로그램의  주소를  새롭게  지정해주는  기법 

 

 

 

Section  3.  가상기억장치

 

1.  가상기억장치

⑴  가상기억장치의  개념

 보조기억장치 (하드디스크) 의  일부를  주기억장치처럼  사용하는  것

⑵  블록  분할  방법 🧮

1)  페이징(Paging) 기법
 같은  크기의  블록으로  편성하여  운용하는  기법 (내부단편화  발생)
 페이지  크기별  비교

페이지 크기	기억장소 효율	단편화	입출력 시간	맵 테이블
클수록	감소	증가	감소	감소
작을수록	증가	감소	증가	증가

2)  세그먼테이션 기법(Segmentation)
 서로  크기가  다른  세그먼트로  분할하고  메모리를  할당하는  기법 (외부  단편화  발생)

2.  가상기억장치  기타  관리사항

⑴  페이지  부재

 프로세스  실행  시  참조할  페이지가  주기억장치에  없는  현상

⑵  지역성(Locality)

 프로세스가  실행되는  동안  주기억장치를  참조할  때  일부  페이지만  집중적으로  참조하는  성질
 지역성의  종류
1)  시간 구역성(Temporal  Locality)  :  Loop(반복),  Stack(스택), 부 프로그램(Sub  Routine) 등
2)  공간  구역성(Spatial  Locality)  :  배열순회, 순차적 코드 실행 등

⑶  워킹  셋(Working  Set)

 프로세스가  일정  시간  동안  자주  참조하는  페이지들의  집합

⑷  스래싱(Thrashing) ⭐

 프로세스의  처리  시간보다  페이지  교체에  소요되는  시간이  더  많아지는  현상

 

3.  페이지  교체  알고리즘 🧮

⑴  FIFO(First  In  First  Out)

 가장  먼저  메모리에  적재된  페이지를  먼저  교체하는  기법
 프레임  개수를  늘리면  부재  발생이  감소해야 하나, 오히려  더  늘어나는 Belady's  Anomaly  이상  현상  발생

⑵  OPT(Optimal  replacement, 최적  교체 ) 

 앞으로  가장  사용되지  않을  페이지를  교체

⑶  LRU(Least  Recently  Used)

 최근에  가장  오랫동안  사용되지  않은  페이지를  교체

⑷  LFU(Least  Frequently  Used)

 사용  빈도가  가장  적은  페이지를  교체

⑸  NUR(Not  Used  Recently)

 참조비트와  변형비트를  이용해서  페이지  교체

⑹  SCR(Second  Chance  Replacement)

 FIFO  기법의  단점을  보완하는  기법

 

 

 

Section  4.  프로세스

 

1.  프로세스

⑴  프로세스의  개념

 컴퓨터에서  연속적으로  실행되고  있는  컴퓨터  프로그램

⑵  스레드(Thread)

1)  스레드의  개념

 프로세스  내에서  실행되는  흐름의  단위
 프로그램은  하나  이상의  프로세스를  가지고  있고, 하나의  프로세스는  반드시  하나  이상의  스레드를  갖는다.

2)  스레드의  분류

 사용자  수준의  스레드
 커널  수준의  스레드

⑶  메모리상의  프로세스  영역

 코드  영역 : 프로그램  코드  저장
 데이터  영역 : 전역  변수, 정적  변수
 스택  영역 : 지역  변수
 힙  영역 : 동적할당

⑷  프로세스  상태  전이 (생준실대완) ⭐0️⃣

 

job scheduler / 준비 : 프로세스가 CPU를 할당받기 위해 기다리는 상태 Dispatch. cpu scheduler / 실행: 준비상태에 있던 프로세스가 CPU를 할당받아 실행되는 상태. I/O 처리가 필요하면 프로세스는 대기 상태로 전이 / 대기 : IO 처리가 완료되면 다시 준비상태로 전이 Wake Up / Spooling :멀티태스킹 성능 향상을 위해서 입/출력할 데이터를 직접 입/출력 장치에 보내지 않고, 모아뒀다가 한꺼번에 입/출력하기 위해 디스크에 저장해놓는 과정

⑸  PCB(Process  Control  Block, 프로세스  제어  블록) 

 운영체제가  프로세스에  대한  정보를  저장해  놓는  공간

⑹  문맥  교환(Context  Switching) 

 이전의  프로세스의  상태를  보관하고  또  다른  프로세스를  레지스터에  적재하는  과정

 

2.  프로세스  스케줄링 1️⃣

⑴  스케줄링의  목적

 공평성, 효율성, 안정성, 반응 시간 보장, 무한 연기 방지

⑵  스케줄링  기법

1)  선점형  스케줄링 (Preemptive) 
 다른  프로세스가  실행  중이더라도  운영체제가  CPU를  강제로  뺏을  수  있는  방식
 라운드 로빈(Round Robin) : 같은 크기의 CPU 할당
 SRT(Shortest Remaining Time First) : 가장 짧은 시간이 소요되는 프로세스를 먼저 수행하고, 남은 처리시간이 더 짧다고 판단되는 프로세스가 준비 큐에 생기면 언제라도 프로세스가 선점됨
 다단계 큐(Multi Level Queue) : 여러 개의 큐를 이용하여 상위단계 작업에 의한 하위단계 작업이 선점
 다단계 피드백 큐(MLFQ, Multi Level Feedback Queue): 큐마다 서로 다른 CPU시간 할당량을 부여, FIFO+라운드 로빈 스케줄링 기법 혼합

2)  비선점형  스케줄링 (Non-Preemptive) 
 프로세스가  CPU를  점유하고  있다면  이를  빼앗을  수  없는  방식
 종류 : FCFS,  SJF,  HRN, 우선순위, 기한부 등
우선순위(Priority): 프로세스별 우선순위에 따라 CPU할당 / 우선순위 = (대기시간+ 서비스시간) / 서비스시간
기한부(Deadline) : 작업들이 명시된 기한 내에 완료되도록 계획
FCFS(=FIFO) : 프로세스가 대기 큐에 도착한 순서에 따라 CPU 할당
SJF(Short Job First) : 프로세스가 도착하는 시점에 따라 그 당시 가장 작은 서비스 시간을 갖는 프로세스가 종료 시까지 자원 점유, 기아 현상 발생
HRN(Highest Response Ratio Next) : 대기 중인 프로세스 중 현재 응답률이 가장 높은 것을 선택, 기아현상 최소화 기법
반환시간 = 종료시간 - 도착시간
대기시간 = 반환시간 - 서비스 시간

3)  기아현상과  에이징  기법
 기아현상(Starvation)  :  우선순위가  낮은  프로세스가  무한정  기다리는  현상 (SJF,  우선순위,  SRT,  MLQ)
 에이징  기법(Aging)  :  기아현상을  해결하기  위한  기법(HRN,  MLFQ)

 

3.  스케줄링  알고리즘 🧮 2️⃣

⑴  선점형  기법

1)  Round  Robin
 시간단위(Time  Quantum/Slice)를  정해서  프로세스를  순서대로  CPU를  할당하는  방식 

2)  SRT(Shortest  Remaining  Time)
 CPU  점유  시간이  가장  짧은  프로세스에  CPU를  먼저  할당하는  방식

3)  다단계  큐 (MLQ,  Multi-Level  Queue) 
 그룹에  따라  각기  다른  준비  상태  큐를  사용하는  기법

4)  다단계  피드백  큐 (MLFQ,  Multi-Level  Feedback  Queue) 
 프로세스  생성  시  가장  높은  우선순위  준비  큐에  등록되며, 등록된  프로세스는 FCFS순서로 CPU를  할당받아
실행되고, 할당된  시간이  끝나면  다음  단계의  준비  큐로  이동 

⑵  비  선점형  기법

1)  FCFS(First  Come  First  Serve)
 먼저  도착한  프로세스를  먼저  처리하는  스케줄링  알고리즘

2)  SJF(Shortest  Job  First)
 실행시간이  가장  짧은  프로세스에게  CPU를  할당하는  방식 

3)  HRN(Highest  Response  ratio  Next)
 SJF  기법에서  비교적  실행시간이  긴  프로세스가  가질  수  있는  불리함을  보완한  스케줄링  방식
 우선순위 = (대기시간 + 실행시간) / 실행시간 (실행시간=서비스시간)

4) 우선순위 (Priority) 
 프로세스마다  우선순위를  부여하여  높은  우선순위를  가진  프로세스에게  먼저  자원을  할당

5) 기한부 (Deadline) 
 프로세스에게  일정한  시간을  주어  그  시간  안에  완료하도록  하는  기법

 

 

Section  5.  병행  프로세스와  교착상태

1.  병행  프로세스

⑴  병행  프로세스의  개념

 두  개  이상의  프로세스들이  동시에  존재하며  실행상태에  있는  것

⑵  문제점과  해결책

1)  문제점
 동시에 2개 이상의 프로세스를 병행 처리하면 한정된 자원(CPU, 메모리, 디스크, I/O 장치 등)에 대한 사용 순서 등 여러가지 문제가 발생

2)  문제  해결책
 임계구역, 상호배제 기법, 동기화 기법

 

2.  병행  프로세스  문제  해결책

⑴  임계구역(Critical  Section) 

 공유  자원에  대해서  한  순간에는  반드시  하나의  프로세스만  사용되도록  지정한  영역

⑵  상호  배제(Mutual  Exclusion)

 하나의  프로세스가  공유  메모리  혹은  공유  파일을  사용하고  있을  때  다른  프로세스들이  사용하지  못하도록 
배제시키는  제어  기법
 상호  배제  기법
①  데커의  알고리즘(Dekker's  Algorithm)
②  피터슨의  알고리즘(Peterson's  Algorithm)
③  다익스트라  알고리즘(Dijkstra  Algorithm)
④  램포트의  베어커리  알고리즘(Lamport's  Bakery  Algorithm)

⑶  동기화  기법

 스레드들에게  하나의  자원에  대한  처리  권한을  주거나  순서를  조정해주는  기법
 세마포어 (Semaphore),  모니터 (Monitor)

 

3.  교착상태(Dead  Lock) 

⑴  교착상태의  개념 ⭐

 상호  배제에  의해  나타나는  문제점으로, 둘  이상의  프로세스들이  자원을  점유한  상태에서  서로  다른  프로세스가 점유하고  있는  자원을  요구하며  무한정  기다리는  현상

⑵  교착상태  발생  조건(4개 모두 만족해야 함, 상점비환) ⭐

 상호배제 (Mutual  Exclusion)  :  공유  자원은  하나의  프로세스만이  사용 가능
 점유와  대기 (Hold  &  Wait)  : 자원을  점유  하면서  다른  프로세스의  자원을  추가로  요구하며  대기
 비선점(Nonpreemption)  :  강제로  빼앗을  수  없음 
 환형대기(Circular  Wait)  :  각  프로세스가  순차적으로  다음  프로세스가  요구하고  있는 지원을  가지고  있는  상태, 프로세스의 집합에서 순환형태로 자원을 대기

⑶  교착상태  해결  방법

 예방  기법(Prevention) (교착상태 발생 조건 부정)
 회피  기법 (Avoidance)  : 은행원  알고리즘  사용 (프로세스가 자원을 요구할 때 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는지 미리 검사하여 교착 상태를 회피한다. 안정 상태인 경우만 자원을 할당하고 그렇지 않은 경우 다른 프로세스들의 자원 해지시 까지 대기)
 발견  기법(Detection)
 회복  기법(Recovery)

 

 

 

Section  6. 디스크  스케줄링 (Disk  Scheduling) 

1.  디스크  스케줄링 (디스크에서 데이터 찾기 순서)

⑴  디스크  스케줄링  종류 ⭐🧮

1)  FCFS 스케줄링 (First  Come  First  Service) 
 요청이  들어온  순서대로  처리

2)  SSTF (Shortest  Seek  Time  First)
 현재  헤드에서  가장  가까운  트랙의  요청을  먼저  처리한다.

3)  SCAN
 헤드의  진행방향에  있는  요청을  처리하고,  다시  반대방향으로  틀어  반대방향에  있는  요청들을  처리한다.

4)  C-SCAN
 항상  한쪽  방향에서  반대방향으로  진행하며  트랙의  요청을  처리한다.

5)  LOOK
 SCAN 기법을  기초로  사용하며, 진행  방향의  마지막  요청을  처리한  후  반대방향으로  처리하는  기법

6)  C-LOOK
 C-SCAN 기법을  기초로  사용하며, 진행  방향의  마지막  요청을  처리한  후  반대방향으로  처리하는  기법

7)  N-STEP  SCAN
 SCAN  기법을  기초 처리하는  과정  중에  요청이  들어오면  반대  방향으로  진행할  때  서비스

8) 에션바흐 (Eschenbach) 기법 
 부하가  매우  큰  항공  예약  시스템을  위해  개발

 

 

Section  7.  환경변수와  로그  파일

 

1.  환경변수

⑴  환경변수의  개념

 프로세스가  컴퓨터에서  동작하는  방식에  영향을  미치는  동적인  값들의  모임

⑵  UNIX/Linux  환경변수

 env,  set,  printenv 명령어들을  사용하여  환경변수와  그에  따른  모든  값을  볼  수  있다.
 export 명령을  이용하여  사용자  환경변수를  전역변수로  설정할  수  있다.

⑶  Windows  환경변수

 제어판  > 시스템  및  보안 > 시스템 > 고급  시스템  설정 > 환경변수  존재
 커맨드  창에서 set 명령으로  확인 

 

2.  로그  파일

⑴  로그의  개념

 시스템의  모든  기록을  담고  있는  데이터

⑵  리눅스  로그  종류

종류	설명
messages	시스템  로그  파일
secure	보안인증에  관한  메시지  로그파일
maillog	메일  로그  파일
xferlog	ftp 로그파일
dmesg	부팅  시의  시스템  로그
wtmp	시스템에  로그인  기록이  저장되는  파일 (전체  로그인  기록 )
utmp	시스템에  로그인  기록이  저장되는  파일 (현재  로그인  사용자에  대한  기록)
btmp	로그인  실패  정보  기록
lastlog	각  계정들의  가장  최근  로그인  기록

 

 

Section  8.  스토리지

1.  스토리지(Storage) 

⑴  스토리지  종류

 DAS(Direct  Attached  Storage) 데이터 서버와 외장형 저장장치(외장하드)를 전용 케이블로 1:1 직접 접속
 NAS(Network  Attached  Storage) LAN을 통해 Storage와 Server를 접속 
 SAN(Storage  Area  Network) 서버가 fiber channel switch를 통하여 storage를 연결

⑵  RAID(Redundant  Array  of  Inexpensive  Disks)

1)  RAID  개념

 복수의  하드디스크를  하나의  드라이브와  같이  인식하고  표기한다.

2)  RAID  구성

①  스트라이핑(Striping) 
 논리적으로  연속된  데이터들이  물리적으로  여러  개의  디스크에  라운드  로빈  방식으로  저장되는  형태

②  미러링(Mirroring) 
 데이터를  그대로  복제하는  것으로  신뢰성  및  가용성  확보를  위해  사용됨

3)  RAID  형태 2️⃣

 RAID-0  :  스트라이핑
 RAID-1  :  미러링
 RAID-2  :  해밍코드  오류정정
 RAID-3  :  하나의  디스크는  패리티  정보, 나머지는  데이터  저장
 RAID-4  :  RAID-3 과  같은  형태,  블록  단위로  분산  저장
 RAID-5  :  각각의  디스크에  패리티  정보  저장
 RAID-6  :  하나의  패리티를  두  개의  디스크에  분산  저장