1. OS

  • OS는 하드웨어 바로 위에 설치되어 하드웨어와 소프트웨어 및 사용자를 연결하는 소프트웨어
  • 목적은 자원의 효율적인 관리 (OS는 자원 관리자)
    • H/W 자원(추상화) : CPU, memory, I/O
    • S/W 자원 : 프로세스, 파일, 메시지
  • 항상 수행되고 있는 유일한 프로그램(kernel)
  • OS = kernel(핵심) + 사용자 인터페이스(shell, GUI, 도구 및 서비스)
  • 동기/비동기, Cache, Schduling 등 현대 컴퓨터 과학 및 개발에 필요한 기초적인 이론의 대부분을 다루고 있다.

1.1 Kernel

  • OS의 핵심 부분, 메모리에 상주하여 계속 실행된다.
  • 보안, 자원 관리, 추상화 등의 역할을 수행한다.(low level의 서비스)

1.2 컴퓨터 시스템 구조

1.2.1 CPU

1.2.2 Memory

1.2.3 Timer

한 프로세스가 CPU를 점유하는 시간이 정해진 시간을 초과하면 CPU에 interrupt를 보낸다.

1.2.4 Device controller

  • 해당 I/O Device를 관리하는 일종의 작은 CPU
  • local buffer(일종의 Data register)를 갖는다.
  • I/O는 실제 Device와 local buffer 사이에 일어난다.
  • I/O가 완료되면 controller는 CPU에 interrupt를 보낸다.

1.2.5 Local buffer

  • I/O의 Data를 저장하는 임시 공간

1.2.6 DMA(Direct Memory Access) controller

  • CPU의 개입 없이 I/O Device와 memory 간의 데이터 전송을 담당
  • I/O Device의 interrupt가 너무 많이 발생하여 CPU를 비효율적으로 사용되는 문제를 해결

1.2.7 MMU(Memory Management Unit)

  • logical memory를 physical memory로 매핑해주는 H/W Device

1.2.1 Mode bit

  • 0
    • 커널 모드, 모니터 모드, 시스템 모드
    • 모든 instruction 수행 가능(커널 모드에서만 수행 가능한 특권 명령이 존재)
    • interrupt나 exception 발생 시 H/W가 mode bit을 0으로 변경한다.
  • 1
    • 사용자 모드
    • 사용자 process를 수행
    • 제한된 instruction만 수행 가능
    • 사용자 프로세스에 CPU를 넘기기 전에 mode bit을 1로 변경

1.3 Interrupt

  • Interrupt(넓은 의미)
    • Interrupt(H/W 인터럽트) : H/W가 발생시킨 인터럽트
    • Trap(S/W 인터럽트)
      • exception : 프로세스가 오류를 범한 경우(e.g. devide by zero)
      • system call : 프로세스가 커널 함수를 호출하는 경우
  • 인터럽트 벡터 (인터럽트 벡터 테이블)
    • 해당 인터럽트의 처리 루틴 주소를 가지고 있다.
    • 0 ~ 31 : exception(non-maskable interrupt)
    • 32 ~ 255 : maskable interrupt (cf> 128 : system call)
  • 인터럽트 처리 루틴(인터럽트 서비스 루틴, 인터럽트 핸들러)
    • 해당 인터럽트를 실제로 처리하는 커널 함수

2. process

2.1 process

프로그램 수행에 필요한 자원을 할당받고 그 자원을 하나의 개체에서 관리하는 시스템의 작업 단위

2.1.1 Process 상태(state)

  • Running
    • CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
  • Ready
    • CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족)
    • 스케쥴링의 대상
  • Blocked(wait, sleep)
    • CPU가 주어져도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
    • Process 자신이 요청한 event(I/O 등)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
    • 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
  • New : 프로세스가 생성중인 상태

  • Terminated : 수행(Execution)이 끝난 상태

  • Suspended(stopped)
    • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
    • 프로세스는 통째로 디스크에 Swap out된다.
    • e.g.
      • 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우(break key)
      • 시스템이 프로세스를 잠시 중단시킴(메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
  • block vs suspended
    • block은 자신이 요청한 이벤트가 만족되면 ready
    • suspended는 외부에서 resume 해주어야 active된다.

2.1.1 Process Context

  • CPU 수행 상태를 나타내는 H/W 문맥
    • 각종 register(PC 등)
  • 프로세스 주소 공간
    • code, data, stack
  • 프로세스 관련 커널 자료구조
    • PCB
    • kernel stack(system call)
2.1.1.1 PCB(Process Control Block)
  • OS가 각 프로세스 관리를 위해 프로세스당 유지하는 정보
  • 구성 요소(구조체로 유지)
    • OS 관리상 사용하는 정보
      • process state, PID
      • 스케줄링 priority
    • CPU 수행 관련 H/W 값
      • register(PC 등)
    • 메모리 관련 정보
      • code, data, stack의 위치 정보
    • 파일 관련 정보
      • file descriptor table(-> file table -> inode table)

2.1.1.2 Context switching

  • CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정
  • CPU가 다른 프로세스로 넘어갈 때의 과정
    1. CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
    2. CPU를 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어온다.
  • 프로세스 A에서 system call이나 interrupt가 발생했을 때 다시 프로세스 A로 복귀할 경우보다 프로세스 B가 수행될 경우의 overhead가 더 큼(e.g. cache memory flush)

2.2 thread

프로세스가 할당 받은 자원을 이용하는 실행의 단위

참고) linux는 기본적으로 thread를 지원하지 않는다. 그러나 thread와 유사한 형태의 프로세스를 생성하여 사용할 수 있다.

2.3 process vs thread

process thread
OS로부터 자원을 할당 받는 작업의 단위 프로세스가 할당 받은 자원을 이용하는 실행의 단위
  • 프로그램에 대한 인스턴스
    (프로그램 수행에 필요한 자원을 하나의 개체에서 관리)
  • 모든 프로세스에는 하나 이상의 쓰레드 존재
  • 자신만의 고유 공간과 자원을 할당 받는다.
    (메모리 공간과 자원 소모가 상대적으로 큼)
     
     
  • 프로세스 내에서 실제로 작업을 수행
  • 하나의 프로세스 안에서 각각의 레지스터, 스택 공간을 제외한
    나머지 공간(heap, data, bss, code)과 자원을 다른 쓰레드와 공유
  • 스택과 레지스터만 switching하므로 context switching 속도가
    상대적으로 빠름 (overhead가 적다)
  • 자원 공유로 인한 동기화 문제가 발생
  • 디버깅이 어려움

2.2.2 kernel thread vs user thread

  • kernel thread : kernel에서 직접 관리
  • user thread(library) : 라이브러리를 통해 thread가 관리되고, 여러 개의 thread가 있어도 OS 입장에서는 하나의 프로세스로 인식한다.

2. CPU scheduling

2.0 Dispatcher

2.0 Scheduling Algorithm

  • FCFS
  • SJF
  • RR(Round Robin) - time quantum(time slice)

3. 동기화(Synchronization)

3.1 Mutex vs Semaphore

| Mutex | Semaphore | |——-|———–| | | | |——-|———–| | - | -
| - | -
| - | - |

4. 데드락(Deadlock)

5. 메모리 관리

5.1. Address Binding

  • symbolic address(함수 이름, 변수 이름) -> logical address -[이 시점이 언제인지]-> pyhsical address
  • 분류
    • Compile time
      • logical address와 physical address가 완전 동일
      • 안 쓴다
    • Load time
      • 수행 시작 전에 비어 있는 physical address에 올림
    • Execution time
      • logical address와 다른 physical address에 올림
      • 수행 도중 변경 가능(H/W 지원이 필요 - MMU)

5.2. Virtual Memory

  • 적은 양의 physical memory를
  • logical memory와 physical memory를

7. IPC(InterProcess-Communication)

7. FS(File System)

  • Boot block
    • boot에 필요한 파일 및 코드 등
  • superblock
    • Inode table 사이즈
  • Inode table
  • inode
    • 파일의 meta 데이터
    • file마다 하나씩 생성된다.
      • inode 생성, directory에 등록
      • file 삭제 시
        • data block 반납, inode 삭제, directory에서 해제
    • permission, file type, link count(몇 개가 접근중인 지), file size, file addresses
  • data blocks
    • 자료 보관