노년코딩

교착 상태란?

일어나지 않을 사건을 기다리며 진행이 멈춰 버리는 현상.

교착 상태를 해결하기 위해서는?

1. 교착 상태가 발생했을 때의 상황을 정확하게 표현해 보기
2. 교착 상태가 일어나는 근본적인 이유 이해하기.

1. 교착 상태가 발생했을 때의 상황을 정확하게 표현해 보기 - 그래프를 그려보자

자원 할당 그래프 : 교착 상태가 발생했을 때의 상황을 표현하기 위한 그래프
>>교착 상태 발생 조건 파악 가능
- 어떤 프로세스가 어떤 자원을 할당받아 사용 중인지 확인 가능.
- 어떤 프로세스가 어떤 자원을 기다리고 있는지 확인 가능.

교착상태가 일어난 그래프의 특징은 자원 할당 그래프가 원의 형태를 띄고 있다.

2. 교착 상태가 일어나는 근본적인 이유 이해하기.

교착 상태가 발생할 4가지 조건
1. 상호 배제 : 한 프로세스가 사용하는 자원을 다른 프로세스가 사용할 수 없는 상태
2. 점유와 대기 : 자원을 할당받은 상태에서 다른 자원을 할당받기를 기다리는 상태
3. 비선점 : 어떤 프로세스도 다른 프로세스의 자원을 강제로 빼앗지 못하는 상태
4. 원형 대기 : 프로세스들이 원의 형태로 자원을 대기하는 상태

위 네 가지 조건 중 하나라도 만족하지 않으면 교착 상태가 발생하지 않음.
위 네가지 조건을 모두 만족하면 교착 상태가 발생할 수 있음.

교착 상태 해결 방법 4가지.
예방, 회피, 검출 후 회복.

교착 상태 예방	애초에 교착 상태가 발생하지 않도록 교착 상태 발생 조건(상호배제, 점유와 대기, 비선점, 원형 대기)중 하나를 없애버리기 >> 교착 상태가 발생하지 않음은 보장할 수 있으나 부작용이 따르는 방식.
상호배제 없애기	모든 자원을 공유 가능하게 만들기 >> 이론적으론 가능하지만 현실적으로 ㄴㄴ
점유와 대기 없애기	특정 프로세스에 자원을 모두 할당하거나, 아예 할당하지 않는 방식으로 배분 >> 자원의 활용률을 낮출 수 있는 방식이라 부작용이 있음.
비선점 조건 없애기	선점이 가능한 자원(e.g. CPU)에 한해 효과적 >> 모든 자원이 선점 가능한 것은 아니다.
원형 대기 조건을 없애기	자원에 번호를 붙이고 오름차순으로 할당하면 원형 대기는 발생하지 않음 >> 자원에 번호를 붙이는 것은 어려운 작업, 어떤 자원에 어떤 번호를 붙이느냐에 따라 활용률이 달라짐.

++교착 상태 무시 ( == 타조 알고리즘) : 문제가 발생했을 때 무시해 버리는 방법.

동시 다발적으로 실행되는 프로세스들은 서로 협력하며 영향을 주고받는다.
이 과정에서 자원의 일관성을 보장해야 한다.  >> 즉, 프로세스들의 동기화를 고려해야 한다.

공동의 목적을 위해 동시에 수행되는 프로세스들은 아무렇게나 마구 실행해도 괜찮을까?

>> ㄴㄴ 올바른 수행을 위해 프로세스들은 동기화되어야 함.

프로세스의 동기화란?

프로세스들의 수행 시기를 맞추는 것
크게 두 가지를 의미
- 실행 순서 제어 : 프로세스를 올바른 순서대로 실행하기
- 상호 배제 : 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 하기 
* 실행의 문맥을 갖는 모든 대상은 동기화 대상이기에 스레드도 동기화 대상. 

공유 자원과 임계구역

공유자원 :  여러 프로세스 혹은 스레드가 공유하는 자원 (전역변수, 파일, 입출력장치, 보조기억장치 ...)

임계 구역 : 공유 자원에 접근하는 코드 중 동시에 실행하면 문제가 발생하는 코드 영역

임계 구역에 진입하고자 하면 진입한 프로세스 이외에는 대기해야 한다.

임계 구역에 동시에 접근하면 자원의 일관성이 깨질 수 있다. 이를 레이스 컨디션(race condition)이라 한다.

운영체제가 임계구역 문제를 해결하는 세 가지 원칙 (상호배제를 위한 동기화를 위한 세가지 원칙)
1. 상호 배제(mutual exclusion) :
 한 프로세스가 임계 구역에 진입했다면 다른 프로세스는 들어올 수 없다.
2. 진행(progress) :
임계 구역에 어떤 프로세스도 진입하지 않았다면 진입하고자 하는 프로세스는 들어갈 수 있어야 한다.
3. 유한 대기(bounded waiting) :
 한 프로세스가 임계 구역에 진입하고 싶다면 언젠가는 임계 구역에 들어올 수 있어야 한다.(임계 구역에 들어오기 위해 무한정 대기해서는 안된다.)

동기화 기법

스레드란?
프로세스를 구성하는 실행 흐름의 단위. 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있다.
(한 프로세스를 여러 개의 스레드로 동시 실행 가능)
웹브라우저 프로세스 - 화면 출력 스레드, 입력 스레드, 검색 스레드 등등

프로세스와 스레드

- 실행 흐름이 하나인 프로세스(단일 스레드 프로세스)
- 실행 흐름이 여러 개인 프로세스(멀티 스레드 프로세스)
 >> 프로세스를 이루는 여러 명령어 동시 실행 가능.

스레드의 구성요소
: 스레드 ID, 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터 값, 스택 등. 실행에 필요한 최소한의 정보를 가지고 있음.
모든 스레드들은 프로세스의 자원을 공유한다. 

멀티 프로세스와 멀티 스레드

동일한 작업을 수행하는 단일 스레드 프로세스 여러 개 실행(멀티프로세스)vs 하나의 프로세스를 여러 스레드로 실행(멀티 스레드) >> 차이는?
멀티프로세스 : 남남처럼(자원 공유 X) 실행
- 프로세스를 fork 하면 코드/ 데이터/ 힙 영역등 모든 자원이 복제되어 저장됨.
- 저장된 메모리 주소를 제외하면 모든 것이 동일한 프로세스 두 개가 통째로 메모리에 적재
- fork를 세번, 네 번 하면 메모리에는 같은 프로세스가 통째로 세 개, 네 개 적재
참고) fork 직후 같은 프로세스를 통째로 메모리에 중복 저장하지 않으면서동시에 프로세스끼리 자원을 공유하지 않는 방법도 있다. 이를 쓰기 시 복사(copy on write) 기법이라 한다.
- PCB값 멀티 프로세스의 스레드들은 다 다름, 멀티 스레드의 PCB값은 하나 
- 스레드들은 각기 다른 스레드 ID, (별도의 실행을 위해 꼭 필요한) 프로그램 카운터 값을 포함한 레지스터 값, 스택을 가질 뿐 프로세스가 가지는 자원을 공유 

>>프로세스끼리는 자원을 공유하지 않는다. --> 남남처럼 독립적으로 실행된다.
프로세스 간에도 자원을 주고 받을 수 있다 : 프로세스 간 통신(IPC)
파일을 통한 프로세스 간 통신, 공유 메모리를 통한 프로세스 간 통신.(프로세스끼리 공유하는 메모리를 따로 둠)
>> 스레드는 프로세스의 자원을 공유한다. --> 협력과 통신에 유리하다. 때로는 자원을 공유하고 있다는 게 문제가 될 수도 있음.

프로세스 상태

프로세스 상태 다이어그램

프로세스 계층구조

• 프로세스 실행 도중(시스템 호출을 통해) 다른 프로세스 생성 가능
• 새 프로세스를 생성한 프로세스 : 부모 프로세스
• 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스 : 자식 프로세스

- 부모 프로세스와 자식 프로세스는 별개의 프로세스이므로 각기 다른 PID를 가짐.
- 일부 운영체제에서는 자식 프로세스 PCB에 부모 프로세스 PID(PPID)를 명시하기도 함. 
- 자식 프로세스는 또 다른 자식 프로세스를 낳을 수 있고, 그 자식프로세스는 또 다른 자식 프로세스르 낳을 수 있음. >> 프로세스의 계층적인 구조 형성. 

프로세스 생성 기법

부모 프로세스는 자식 프로세스를 어떻게 만들어내고, 자식 프로세스는 어떻게 자신만의 코드를 실행할까?

>> 복제와 옷 갈아입기

Fork-exec

• 부모 프로세스는 fork 시스템 호출을 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성
• 자식 프로세스는 exec 시스템 호출을 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체 

실행 중인 프로 그램, "프로세스"

프로세스
: 포그라운드 프로세스와 백그라운드 프로세스로 나뉜다.

프로세스 제어 블록
: 프로세스 관련 정보를 저장하는 자료구조

모든 프로세스는 실행을 위해 CPU가 필요하지만 CPU자원은 한정되어 있다.
프로세스들은 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU이용한다. - 자신의 차례에 정해진 시간만큼 CPU이용, 타이머 인터럽트가 발생하면 차례 양보.

빠르게 번갈아 수행되는 프로세스들을 관리해야 하며 이를 위해 사용하는 자료구조가 프로세스 제어 블록(이하 PCB)이다.
프로세스 관련 정보를 저장하는 자료구조. 프로세스 생성 시 커널 영역에 생성, 종료 시 폐기.

운영체제는 커널 영역에 적재된 프로세스 제어 블록 (PCB)를 보고 프로세스를 관리.

문맥 교환(context switch)

한 프로세스에서 다른 프로세스로 실행 순서가 넘어가면?
- 기존에 실행되던 프로세스는 지금까지의 중간 정보를 백업(프로그램 카운터 등 각종 레지스터 값, 메모리 정보, 열었던 파일, 사용한 입출력 장치 등)
          - 이러한 중간 정보 == 문맥
          - 다음차례가 왔을 때 실행을 재개하기 위한 정보
          - 실행 문맥을 백업해두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있다!
- 뒤이어 실행할 프로세스의 문맥을 복구
          - 자연스럽게 실행 중인 프로세스가 바뀜 

• 이처럼 기존의 실행 중인 프로세스 문맥을 백업하고 새로운 프로세스 실행을 위해 문맥을 복구하는 과정을 문맥 교환 이라 한다.(여러 프로세스가 끊임없이 빠르게 번갈아 가며 실행되는 원리)

프로세스의 메모리 영역

: 크게 코드 영역(=텍스트영역), 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역

운영체제는 현존하는 프로그램 중 규모가 가장 큰 프로그램 중 하나!
운영체제의 심장 "커널"

커널이란?
: 운영체제의 핵심 서비스를 담당하는 부분.

- 운영체제에는 속하는 데 커널에는 속하지 않는 기능 - 유저 인터페이스(UI; User Interface)
>> 사용자와 컴퓨터 간의 통로일 뿐 운영체제의 핵심 기능(커널)은 아님.

- 운영체제는 응용프로그램들이 자원에 접근하려 할 때 오직 자신을 통해서만 접근하도록 하여 자원을 보호.
응용프로그램이 자원에 접근하려면 운영체제에 도움을 요청(== 운영체제의 코드를 실행)해야 함.

이중모드와 시스템 호출

•  이중모드 : CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자 모드와 커널 모드로 구분하는 방식.

• 시스템 호출: 운영체제 서비스를 제공받기 위해 커널 모드로 전환하는 방법. 커널 모드로 전환하여 실행하기 위해 호출, 일종의 소프트웨어 인터럽트. >> 시스템 호출이 처리되는 방식은 하드웨어 인터럽트 처리 방식과 유사. 

운영체제의 핵심 서비스

모든 프로그램은 실행을 위해 자원을 필요로 한다.

운영체제란?

• 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 특별한 프로그램.
• 운영체제는 커널 영역에 적재되는 프로그램.

메모리는 커널 영역과 사용자 영역으로 나뉜다.
- 커널 영역 : 운영체제
- 사용자 영역 : 응용프로그램(사용자가 특정 목적을 위해 사용하는 일반적인 프로그램 >> 메모장, 웹브라우져 등)

운영체제 - 메모리 관리, CPU 관리(누가 먼저 실행될지, 얼마나 오래 쓸지), 입출력장치 관리

>> 응용프로그램과 하드웨어 사이에 위치해서 연결해주는 프로그램.

운영체제 덕분에 개발자는 하드 웨어를 조작하는 코드를 직접 작성할 필요가 없다.

운영체제를 알아야 하는 이유

- 사용자를 위한 프로그램이 아님. 프로그램을 위한 프로그램! 그렇기에 프로그램을 만드는 개발자는 운영체제를 알아야 한다!! 오류메세지에 대한 깊은 이해로 문제 해결 능력이 높아질 수 있음.

주기억장치의 종류에는 크게 RAM과 ROM 두가지가 있으며,
메모리라는 용어는 그중 RAM을 지칭하는 경우가 많음.

RAM의 특징

: 전원이 꺼지면 저장된 내용이 날아감.

- RAM은 휘발성 저장 장치, 보조기억장치는 비휘발성 저장 장치.

RAM의 종류

메모리의 주소 공간

(물리 주소 & 논리 주소)

CPU와 실행중인 프로그램은 현재 메모리 몇 번지에 무엇이 저장되어 있는지 알고 있을까?

NO.
메모리에 저장된 값들은 시시각각 변하기 때문.
- 새롭게 실행되는 프로그램은 새롭게 메모리에 적재
- 실행이 끝난 프로그램은 메모리에서 삭제
- 같은 프로그램을 실행하더라도 실행할 때마다 적재되는 주소는 달라짐.

이러한 점을 극복하기 위해 주소 체계를 물리주소와 논리 주소로 나눈다. 

메모리 보호 기법

1. 한계 레지스터 :

- 프로그램의 영역을 침범할 수 있는 명령어의 실행을 막음.

- 베이스 레지스터가 실행중인 프로그램의 가장 작은 물리 주소를 저장한다면, 한계 레지스터는 논리 주소의 최대 크기를 저장.

2. 주소범위 제한:

- 프로그램의 물리 주소 범위는 베이스 레지스터 값 이상에서부터 베이스 레지스터 값에 한계 레지스터 값을 더한 값 미만까지로 제한된다.

- 베이스 레지스터 값 <= 프로그램의 물리 주소 범위 < 베이스 레지스터 + 한계 레지스터 값 

>> CPU는 메모리에 접근하기 전, 접근하고자 하는 논리 주소가 한계 레지스터보다 작은지를 항상 검사한다.
만약 검사를 했는데 논리 주소가 한계레지스터가 크면 인터럽트(트랩)를 발생시킨다.
이런 메모리 보호 기법을 통해 실행중인 프로그램의 독립적인 실행 공간을 확보하고, 하나의 프로그램이 다른 프로그램을 침범하지 못하게 보호한다.

CPU가 메모리에 접근하는 시간은 CPU 연산 속도보다 느리다.  

저장 장치 계층 구조(memory hierarchy)
: CPU에 얼마나 가까운가를 기준으로 계층적으로 나타낼수 있음

1. CPU와 가까운 저장 장치는 빠르고, 멀리 있는 저장 장치는 느리다.

2. 속도가 빠른 저장 장치는 저장 용량이 작고, 가격이 비싸다. 

캐시 메모리

- CPU와 메모리 사이에 위치한, 레지스터보다 용량이 크고 메모리보다 빠른 SRAM기반의 저장장치

- CPU의 연산 속도와 메모리 접근 속도의 차이를 조금이나마 줄이기 위해 탄생.

- CPU가 매번 메모리에 왔다 갔다 하는 건 시간이 오래 걸리니, 메모리에서 CPU가 사용할 일부 데이터를 미리 캐시 메모리로 가지고 와서 쓰자.가 캐시메모리의 취지.

메모리에 접근  ==  물건을 사러가는 것이라 생각하면,
메모리 == 물건은 많지만 집(CPU)과는 멀리떨어져 있어 왕복이 오래 걸리는 대형 마트
캐시메모리 == 물건이 많지는 않아도 집(CPU)과 가까이 있는 편의점 이라 생각해보면 된다. 

캐시메모리는 하나가 아님. 계층적으로 구성할수 있음. CPU내부에 있을수도 외부에 있을 수도 있음.

계층적 캐시 메모리(L1 - L2 - L3 캐시) - 일반적으로 L1캐시와 L2캐시는 코어 내부에, L3캐시는 코어 외부에 있다.

L3캐시의 용량은 메모리보다 작지만, L1과 L2캐시보단 크다. 

참조 지역성의 원리
: CPU가 미래에 원하는 데이터를 예측하여 속도가 빠른 장치인 캐시 메모리에 담아 놓는데 이때의 예측률을 높이기 위하여 사용하는 원리 >> CPU가 사용할 법한 데이터를 예측하는 방법.

- 캐시 메모리는 메모리보다 용량이 작다. 당연하게도 메모리의 모든 내용을 저장할 수 없다.

따라서, CPU가 자주 사용할 법한 내용을 예측하여 저장함.

참조 지역성의 원리란, CPU가 메모리에 접근할 때의 주된 경향을 바탕으로 만들어진 원리.

CPU의 주된 경향 2가지
- CPU는 최근에 접근 했던 메모리 공간에 다시 접근하려는 경향(시간 지역성)이 있다.
- CPU는 접근한 메모리 공간 근처를 접근하려는 경향(공간 지역성)이 있다.