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9/12 면접 준비

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By Jeremiah Lee 37 분 : 읽는 시간

마찬가지로 저번주에 동미참 예비군 훈련에 다녀왔기 때문에 한 주를 건너 뛰었다.
그런데 팀원이 일정, 환자가 발생해서 아예 진행을 못 했다고 전달 받았다.
그래서 이번에는 이전에 하려했던 OS에 대해 진행했다.




Part 1-4 운영체제

https://github.com/JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner/tree/master/OS

  1. 프로세스와 스레드의 차이
  2. 멀티스레드
  3. 스케줄러
  4. CPU 스케줄러
  5. 동기와 비동기의 차이
  6. 프로세스 동기화
  7. 메모리 관리 전략
  8. 가상 메모리
  9. 캐시의 지역성



1. 프로세스와 스레드의 차이

프로세스
  • 프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU 의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다. 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다. 구체적으로 살펴보면 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역 변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함한다. 또한 프로세스는 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.
  • 프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB) : https://jwprogramming.tistory.com/16
스레드
  • 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, 프로그램 카운터, 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 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 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 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.
  • PC Register 를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유 : PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다. 스레드는 CPU 를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.



2. 멀티 스레드

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 Heap 영역을 이용하여 데이터를 주고받을 수 있다. 그렇기 때문에 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단하다. 심지어 스레드의 context switch 는 프로세스 context switch 와는 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠르다. 따라서 시스템의 throughput 이 향상되고 자원 소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축된다. 이러한 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠 수행하는 것이다.
멀티 스레딩의 문제점
  • 멀티 프로세스 기반으로 프로그래밍할 때는 프로세스 간 공유하는 자원이 없기 때문에 동일한 자원에 동시에 접근하는 일이 없었지만 멀티 스레딩을 기반으로 프로그래밍할 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 컨트롤 하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤 하는 것이다. 하지만 이로 인해 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다. 그러므로 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 한다.
멀티 스레드 vs 멀티 프로세스
  • 멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 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 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재한다. 이 두 가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.



3. 스케쥴러

  • 한정적인 메모리를 여러 프로세스가 효율적으로 사용할 수 있도록 다음 실행 시간에 실행할 수 있는 프로세스 중에 하나를 선택하는 역할
  • 프로세스를 스케줄링하기 위한 Queue 에는 세 가지 종류가 존재한다.
    • Job Queue : 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
    • Ready Queue : 현재 메모리 내에 있으면서 CPU 를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
    • Device Queue : Device I/O 작업을 대기하고 있는 프로세스의 집합
각각의 Queue 에 프로세스들을 넣고 빼주는 스케줄러에도 크게 세 가지 종류가 존재한다.

a. 장기스케줄러(Long-term scheduler or job scheduler)

  • 메모리는 한정되어 있는데 많은 프로세스들이 한꺼번에 메모리에 올라올 경우, 대용량 메모리(일반적으 로 디스크)에 임시로 저장된다. 이 pool 에 저장되어 있는 프로세스 중 어떤 프로세스에 메모리를 할당하 여 ready queue 로 보낼지 결정하는 역할을 한다.
  • 메모리와 디스크 사이의 스케줄링을 담당.
  • 프로세스에 memory(및 각종 리소스)를 할당(admit)

b. 단기스케줄러(Short-term scheduler or CPU scheduler)

  • CPU 와 메모리 사이의 스케줄링을 담당.
  • Ready Queue 에 존재하는 프로세스 중 어떤 프로세스를 running 시킬지 결정.
  • 프로세스에 CPU 를 할당(scheduler dispatch)

c. 중기스케줄러(Medium-term scheduler or Swapper)

  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄 (swapping)
  • 프로세스에게서 메모리를 할당
  • 현 시스템에서 메모리에 너무 많은 프로그램이 동시에 올라가는 것을 조절하는 스케줄러.



4. CPU 스케쥴러

  • 스케줄링 대상은 Ready Queue 에 있는 프로세스들이다.
종류
  • FCFS(First Come First Served) : 비선점형(Non-Preemptive) 스케줄링으로 먼저 온 고객을 먼저 서비스해주는 방식, 즉 먼저 온 순서대로 처리. 일단 CPU 를 잡으면 CPU burst 가 완료될 때까지 CPU 를 반환하지 않는다. 할당되었던 CPU 가 반환될 때만 스케줄링이 이루어진다. 문제점으로는 소요시간이 긴 프로세스가 먼저 도달하여 효율성을 낮추는 현상이 발생한다.
  • SJF(Shortest - Job - First) : 비선점형(Non-Preemptive) 스케줄링으로 다른 프로세스가 먼저 도착했어도 CPU 처리 시간 이 짧은 프로세스에게 선 할당. 문제점으로는 효율성을 추구하는게 가장 중요하지만 특정 프로세스가 지나치게 차별받으면 안되는데, 이 스케줄링은 극단적으로 CPU 사용이 짧은 job 을 선호한다. 그래서 사용 시간이 긴 프로세스는 거의 영원히 CPU 를 할당받을 수 없다.
  • SRTF(Shortest Remaining Time First) : 선점형 (Preemptive) 스케줄링으로 새로운 프로세스가 도착할 때마다 새로운 스케줄링이 이루어진다. 현재 수행중인 프로세스의 남은 처리 시간 보다 더 짧은 CPU 처리 시간을 가지는 새로운 프로세스가 도착하면 CPU 를 뺏긴다. 문제점으로는 새로운 프로세스가 도달할 때마다 스케줄링을 다시하기 때문에 CPU 사용시간을 측정할 수가 없다.
  • Priority Scheduling : 선점형 스케줄링(Preemptive) 방식으로 우선순위가 가장 높은 프로세스에게 CPU 를 할당하는 스케줄링이다. 우선순위란 정수로 표현하게 되고 작은 숫자가 우선순위가 높다. 더 높은 우선순위의 프로세스가 도착하면 실행중인 프로세스를 멈추고 CPU 를 선점한다. 문제점으로는 실행 준비는 되어있으나 CPU 를 사용못하는 프로세스를 CPU 가 무기한 대기하는 상태가 있다. 해결하기 위해 아무리 우선순위가 낮은 프로세스라도 오래 기다리면 우선순위를 높여주어야 한다.
  • Round Robin : 현대적인 CPU 스케줄링. 각 프로세스는 동일한 크기의 할당 시간(time quantum)을 갖게 된다. 할당 시간이 지나면 프로세스는 선점당하고 ready queue 의 제일 뒤에 가서 다시 줄을 선다. RR은 CPU 사용시간이 랜덤한 프로세스들이 섞여있을 경우에 효율적. RR이 가능한 이유는 프로세스의 context 를 save 할 수 있기 때문이다. 장점으로 응답 시간이 빨리지고, 프로세스가 기다리는 시간이 CPU 를 사용할 만큼 증가하기 때문에 공정한 스케줄링이라고 할 수 있다. 하지만 설정한 time quantum이 너무 커지면 FCFS와 같아지고 너무 작아지면 스케줄링 알고리즘의 목적에는 이상적이지만 잦은 context switch 로 overhead 가 발생한다. 그렇기 때문에 적당한 time quantum을 설정하는 것이 중요하다.



5. 동기와 비동기의 차이

https://velog.io/@slobber/%EB%8F%99%EA%B8%B0%EC%99%80-%EB%B9%84%EB%8F%99%EA%B8%B0%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4

  • 동기 : 데이터의 요청과 결과가 한 자리에서 동시에 일어나는것을 말함. 요청을 하면 시간이 얼마나 걸리던지 요청한 자리에서 결과가 주어져야 합니다. 사용자가 데이터를 서버에게 요청한다면 그 서버가 데이터 요청에 따른 응답을 사용자에게 다시 리턴해주기 전까지 사용자는 다른 활동을 할 수 없으며 기다려야만합니다.
  • 비동기 : 비동기는 동시에 일어나지 않는다는 의미. 요청한 결과는 동시에 일어나지 않을거라는 약속입니다. 서버에게 데이터를 요청한 후 요청에 따른 응답을 계속 기다리지 않아도되며 다른 외부 활동을 수행하여도되고 서버에게 다른 요청사항을 보내도 상관없습니다
Sync vs Async
  • 일반적으로 동기와 비동기의 차이는 메소드를 실행시킴과 동시에 반환 값이 기대되는 경우를 동기 라고 표현하고 그렇지 않은 경우에 대해서 비동기 라고 표현한다. 동시에라는 말은 실행되었을 때 값이 반환되기 전까지는 blocking되어 있다는 것을 의미한다. 비동기의 경우, blocking되지 않고 이벤트 큐에 넣거나 백그라운드 스레드에게 해당 task 를 위임하고 바로 다음 코드를 실행하기 때문에 기대되는 값이 바로 반환되지 않는다.



6. 프로세스 동기화

https://rebro.kr/176

  • 공유 데이터의 동시 접근(Concurrent access)은 데이터의 불일치 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서, Race condition을 막고 일관성을 유지하기 위해서는 협력 프로세스 간의 실행 순서를 정해주는 메커니즘인 동기화(Synchronization)가 필요하다.
Critical Section(임계영역)
  • 동일한 자원을 동시에 접근하는 작업(e.g. 공유하는 변수 사용, 동일 파일을 사용하는 등)을 실행하는 코드 영역을 Critical Section 이라 칭함
  • Critical Section으로 인해 발생하는 문제들을 해결하기 위해서는 다음 조건들을 만족해야 한다.
    • Mutual Exclusion(상호 배제) : 이미 한 프로세스가 Critical Section에서 작업 중이면 다른 모든 프로세스는 Critical Section에 진입하면 안 된다.
    • Bounded Waiting(한정된 대기) : 프로세스가 Critical Section에 들어가기 위해 요청한 후부터 그 요청이 허용될 때까지 다른 프로세스들이 Critical Section에 들어가는 횟수에 한계가 있어야 한다. 쉽게 말해, Critical Section에 진입하려는 프로세스가 무한정 기다려서는 안 된다.
    • Progress(진행) : Critical Section에서 작업 중인 프로세스가 없다면, Critical Section에 진입하고자 하는 프로세스가 존재하는 경우 진입할 수 있어야 한다.
해결책
  • Mutex Lock : 동시에 공유 자원에 접근하는 것을 막기 위해 Critical Section 에 진입하는 프로세스는 Lock 을 획득하고 Critical Section 을 빠져나올 때, Lock 을 방출함으로써 동시에 접근이 되지 않도록 한다.
  • 카운팅 세마포어 : 가용한 개수를 가진 자원 에 대한 접근 제어용으로 사용되며, 세마포는 그 가용한 자원의 개수 로 초기화 된다. 자원을 사용하면 세마포가 감소, 방출하면 세마포가 증가 한다.
  • 이진 세마포어 : MUTEX 라고도 부르며, 상호배제의 (Mutual Exclusion)의 머릿글자를 따서 만들어졌다. 이름 그대로 0 과 1 사이의 값만 가능하며, 다중 프로세스들 사이의 Critical Section 문제를 해결하기 위해 사용한다.



7. 메모리 관리 전략

  • 각각의 프로세스는 독립된 메모리 공간을 갖고, 운영체제 혹은 다른 프로세스의 메모리 공간에 접근할 수 없는 제한이 걸려있다. 단지, 운영체제 만이 운영체제 메모리 영역과 사용자 메모리 영역의 접근에 제약을 받지 않는다.
  • Swapping : 메모리의 관리를 위해 사용되는 기법. 표준 Swapping 방식으로는 round-robin 과 같은 스케줄링의 다중 프로그래밍 환경에서 CPU 할당 시간이 끝난 프로세스의 메모리를 보조 기억장치(e.g. 하드디스크)로 내보내고 다른 프로세스의 메모리를 불러 들일 수 있다.
  • 단편화 (Fragmentation) : 프로세스들이 메모리에 적재되고 제거되는 일이 반복되다보면, 프로세스들이 차지하는 메모리 틈 사이에 사용 하지 못할 만큼의 작은 자유공간들이 늘어나게 되는데, 이것이 단편화 이다. 단편화는 2 가지 종류로 나뉜다.
    • 외부 단편화: 메모리 공간 중 사용하지 못하게 되는 일부분. 물리 메모리(RAM)에서 사이사이 남는 공간들을 모두 합치면 충분한 공간이 되는 부분들이 분산되어 있을때 발생한다고 볼 수 있다.
    • 내부 단편화: 프로세스가 사용하는 메모리 공간 에 포함된 남는 부분. 예를들어 메모리 분할 자유 공간이 10,000B 있고 Process A 가 9,998B 사용하게되면 2B 라는 차이 가 존재하고, 이 현상을 내부 단편화라 칭한다.
  • Paging(페이징) : 하나의 프로세스가 사용하는 메모리 공간이 연속적이어야 한다는 제약을 없애는 메모리 관리 방법이다. 외부 단편화와 압축 작업을 해소 하기 위해 생긴 방법론으로, 물리 메모리는 Frame 이라는 고정 크기로 분리되어 있고, 논리 메모리(프로세스가 점유하는)는 페이지라 불리는 고정 크기의 블록으로 분리된다. 페이징 기법을 사용함으로써 논리 메모리는 물리 메모리에 저장될 때, 연속되어 저장될 필요가 없고 물리 메모리의 남는 프레임에 적절히 배치됨으로 외부 단편화를 해결할 수 있는 큰 장점이 있다.
  • Segmentation(세그멘테이션) : 세그멘테이션은 프로세스를 논리적 내용을 기반으로 나눠서 메모리에 배치하는 것을 의미한다.
  • 세그멘테이션 VS 페이징 : 세그멘테이션은 페이징보다 보호와 공유 면에서는 더 낫다. 세그멘테이션은 read/write/execute 권한을 테이블에 추가하는데, 이때 이것을 논리적으로 나누기 때문에 해당 비트를 설정하기 간단하고 안전하다. 반면, 페이징은 code+data+stack 영역이 존재할 때 이를 일정한 크기로 나누기 때문에 영역이 섞여 비트를 설정하기 까다로워질 수 있다. 공유의 측면에서도 마찬가지로, 페이징은 영역이 섞일 가능성이 존재하지만, 세그멘테이션은 정확히 영역을 나누므로 더 효율적으로 공유를 할 수 있다. 하지만, 현재 대부분은 페이징 기법을 세그멘테이션보다 많이 사용한다. 그 이유는 세그멘테이션의 세그먼트 크기가 일정하지 않고 다양하기 때문이다. 세그먼트의 크기가 다양하기 때문에 다양한 hole이 발생해 외부단편화가 발생하여 메모리 낭비가 크게 된다.

https://code-lab1.tistory.com/57



8. 가상 메모리

  • 다중 프로그래밍을 실현하기 위해서는 많은 프로세스들을 동시에 메모리에 올려두어야 한다. 가상메모리는 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법 이며, 프로그램이 물리 메모리보다 커도 된다는 주요 장점이 있다.
  • 프로그램의 일부분만 메모리에 올릴 수 있다면 물리 메모리 크기에 제약받지 않게 된다. 더 많은 프로그램을 동시에 실행할 수 있게 된다. 이에 따라 응답시간은 유지되고, CPU 이용률과 처리율은 높아진다.
  • 가상 메모리가 하는 일 : 가상 메모리는 실제의 물리 메모리 개념과 사용자의 논리 메모리 개념을 분리한 것으로 정리할 수 있다. 이로써 작은 메모리를 가지고도 얼마든지 큰 가상 주소 공간을 프로그래머에게 제공할 수 있다.
  • 가상 주소 공간 : 한 프로세스가 메모리에 저장되는 논리적인 모습을 가상메모리에 구현한 공간이다. 프로세스가 요구하는 메모리 공간을 가상메모리에서 제공함으로써 현재 직접적으로 필요치 않은 메모리 공간은 실제 물리 메모리에 올리지 않는 것으로 물리 메모리를 절약할 수 있다.
  • Demand Paging(요구 페이징) : 프로그램 실행 시작 시에 프로그램 전체를 디스크에서 물리 메모리에 적재하는 대신, 초기에 필요한 것들만 적재하는 전략을 요구 페이징이라 하며, 가상 메모리 시스템에서 많이 사용된다. 그리고 가상 메모리는 대개 페이지로 관리된다. 요구 페이징을 사용하는 가상 메모리에서는 실행과정에서 필요해질 때 페이지들이 적재된다. 한 번도 접근되지 않은 페이지는 물리 메모리에 적재되지 않는다.

  • 페이지 교체 : 요구 페이징 에서 언급된대로 프로그램 실행시에 모든 항목이 물리 메모리에 올라오지 않기 때문에, 프로세스의 동작에 필요한 페이지를 요청하는 과정에서 page fault(페이지 부재)가 발생하게 되면, 원하는 페이지를 보조저장장치에서 가져오게 된다. 하지만, 만약 물리 메모리가 모두 사용중인 상황이라면, 페이지 교체가 이뤄져야 한다.(또는, 운영체제가 프로세스를 강제 종료하는 방법이 있다.)

  • 방법 : https://just-my-blog.tistory.com/36



9. 캐시의 지역성

  • 캐시 메모리는 속도가 빠른 장치와 느린 장치간의 속도차에 따른 병목 현상을 줄이기 위한 범용 메모리이다. 이러한 역할을 수행하기 위해서는 CPU 가 어떤 데이터를 원할 것인가를 어느 정도 예측할 수 있어야 한다. 캐시의 성능은 작은 용량의 캐시 메모리에 CPU 가 이후에 참조할, 쓸모 있는 정보가 어느 정도 들어있느냐에 따라 좌우되기 때문이다. 이 때 적중율(Hit rate)을 극대화 시키기 위해 데이터 지역성(Locality)의 원리를 사용한다. 지역성의 전제조건으로 프로그램은 모든 코드나 데이터를 균등하게 Access 하지 않는다는 특성을 기본으로 한다. 즉, Locality란 기억 장치 내의 정보를 균일하게 Access 하는 것이 아닌 어느 한 순간에 특정 부분을 집중적으로 참조하는 특성인 것이다. 이 데이터 지역성은 대표적으로 시간 지역성(Temporal Locality)과 공간 지역성(Spatial Locality)으로 나뉜다.
    • 시간 지역성 : 최근에 참조된 주소의 내용은 곧 다음에 다시 참조되는 특성.
    • 공간 지역성 : 대부분의 실제 프로그램이 참조된 주소와 인접한 주소의 내용이 다시 참조되는 특성
  • Caching line : 언급했듯이 캐시(cache)는 프로세서 가까이에 위치하면서 빈번하게 사용되는 데이터를 놔두는 장소이다. 하지만 캐시가 아무리 가까이 있더라도 찾고자 하는 데이터가 어느 곳에 저장되어 있는지 몰라 모든 데이터를 순회해야 한다면 시간이 오래 걸리게 된다. 즉, 캐시에 목적 데이터가 저장되어 있다면 바로 접근하여 출력할 수 있어야 캐시가 의미 있어진다는 것이다. 그렇기 때문에 캐시에 데이터를 저장할 때 특정 자료구조를 사용하여 묶음으로 저장하게 되는데 이를 캐싱 라인 이라고 한다. 프로세스는 다양한 주소에 있는 데이터를 사용하므로 빈번하게 사용하는 데이터의 주소 또한 흩어져 있다. 따라서 캐시에 저장하는 데이터에는 데이터의 메모리 주소 등을 기록해 둔 태그를 달아놓을 필요가 있다. 이러한 태그들의 묶음을 캐싱 라인이라고 하고 메모리로부터 가져올 때도 캐싱 라인을 기준으로 가져온다. 종류로는 대표적으로 세 가지 방식이 존재한다.
    • Full Associative
    • Set Associative
    • Direct Map
스터디, 면접 스터디
취준 스터디
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