[운영체제 공룡책] Ch 1. Introduction

📍 공룡책 기반으로 학교에서 수업했던 운영체제를 정리합니다.

What Operating Systems Do?

• 운영체제 = 컴퓨터의 사용자와 하드웨어 사이 중개 역할

• OS는 하드웨어의 특성을 이용해서 프로그램을 편하고 효율적으로 실행시켜주도록 한다.
  • convenience(편리성) : GUI를 활용해서 프로그램을 실행, 종료 등등 편하게
  • efficiency (효율성) : 제한된 자원, 낭비 X

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0️⃣ Computer Architecture 101

(1) von Neumann Architecture

• 컴퓨터 = 주어진 테스크를 수행
  • Central Processing Unit
    • arithmetic logic unit : 계산(+-/*)
    • process register : 저장
  • 메모리 : 데이터와 instruction을 “같이” 갖고 있다.
  → 메모리에 저장(add)된 instruction을, CPU에서 하나씩 읽어와서(load) 처리(execute)해준다.

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(2) Storage Hierarchy

• Speed(속도), Cost(비용), Volatility(휘발성, 변동성)
• 메모리 종류 → 트리 형태의 구조
  • 접근 속도, 만드는 데 드는 비용, 영구적/반영구적 보존(RAM, Cache, …)
  • 위와 같은 특성에 따라서 어떤 종류의 메모리에 올릴지 OS가 결정 (최대 용량이 정해져 있음)

⭐️⭐️⭐️

• 예시 : cache로 불러들인 instruction을 OS가 어떻게 처리하는가

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1️⃣ Process Management

• user : 프로그램을 돌리고 싶은 사람
• computer(HW) : 제한된 자원 가지고 효율적으로

→ 두 요구사항을 맞추기 위해서 OS는 Process Management & Process Synchronization 를 수행한다.

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(1) Process : 일의 단위

그렇다면 프로세스란 무엇일까?

• Process vs Program
  • 실행할 수 있는 실행 파일은 프로그램(program)
  • 프로세스(process)는 실행 중인 프로그램
  • 프로그램을 실행하면 프로세스 단위
  • 즉, 프로세스란 일의 단위!
• 많은 프로세스가 시스템에 있을 때, 프로세스의 라이프타임을 관리해줘야 한다.
  • PCB : 프로그램을 잘 관리하기 위한 data structure(구조체)
    • 사용자 입장에서는 몰라도 괜찮지만, OS 입장에서는 이를 활용해서 프로그램을 관리한다.

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(2) Thread : 한 프로세스 코어에 실행될 수 있는 단위

• 이 프로세스에는, 코어(core)가 존재한다.
• 쓰레드는 한 프로세스 코어에 실행될 수 있는 단위를 말한다.
• 기본적으로는 1프로세스 1쓰레드인데, 1프로세스 n쓰레드(=multithread) 가능
  • 예: 크롬(프로세스) - 알람(thread 1), 웹페이지(thread 2) , … 여러 테스크!

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(3) Process Scheduling

• 여러개의 프로세스, 하나의 코어
• 어떤 프로세스를 어떤 시간에 사용하는지에 따라서 성능이 많이 달라진다.
• 시간대를 잘 나눠서 코어를 사용해야 한다.
  • 예) Round-Robin ; 1번 10초, 2번 10초, 3번 10초 … → 각각 돌아가면서 공평하게
  • etc) First-Come, First Served Shortest-Job-First Multi-level-Queue Priority

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2️⃣ Process Synchronization

• 프로세스가 데이터를 공유할 때 잘 관리하기 위한 동기화 → synchronization
• 공유 변수, 자원에 대한 관리 → critical section

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3️⃣ Memory Management

: 한정적 메모리에 어떻게 프로그램을 돌릴지

• 실제로 동작하려면 메모리 어딘가에 올라가 있어야 한다.
• 메모리를 보통 array로 표현되는데, 프로세스의 첫부분을 low, 끝부분을 high
• 한 번 쓰이고, 뒤에 안 쓰인다면.. 다른 애들이 쓰도록 공간을 할당해줄 수 있다 (나중에 더 자세히)
• 간단한 방법 = 고정적으로 연속된 공간
  • 문제? 프로세스에 따라 쓸 용량이 달라지는데 남는 공간이 생기게 된다(낭비, 비효율적)→ 쪼개서 잘 활용

앞으로 자주 만나게 될 그림

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4️⃣ Storage Management

: 하드웨어의 물리적인 특성을 고려해서 운영체제가 알고리즘을 제공해야 한다.

→ 들어온 순서대로 하는 게 아니라, 최소한의 움직임을 최대한 빨리!!

• 하드 디스크 : 데이터 읽으려면 디스크를 회전시켜서 데이터를 읽어주는 arm이 움직이면서 디스크를 돌리고 데이터에 접근한다.
  • 물리적인 시간이 데이터를 접근할 때 든다 → 잘 스케줄링을 해야 최소한의 움직임으로 데이터를 읽어낼 수 있다.
• SSD : 랜덤 엑세스가 가능하지만, 덮어쓰기를 못 한다. 한 블럭을 전부 지워야 한다는 물리적 특성이 있다.

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5️⃣ File Management

폴더에 들어갔을 때 데이터를 빨리 주려면 디스크에서 읽어서 제공한다

→ 폴더를 미리 읽어와서 메모리에 올려놔서 빨리 제공하는 테크닉 같은 파일 시스템의 효율적 관리가 필요하다!

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Summary

• 어떤 프로그램이나 파일, 데이터를 잘 이용할 수 있는 논리적 구조를 제공(프로세스 단위로 관리, 0101로 이뤄진걸 관리하기 편하게)
• 편의성을 제공하면서 하드웨어를 잘 utilize (제한된 코어에 잘 스케쥴링해서 결과값을 잘 제공할 것인지, 하드디스크의 특성을 반영해서 얼마나 빨리 유저에게 데이터를 제공할 것인지)

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