README.md

Part 03. Operating System

Made by. 김민지 박혜빈 이연주 황성현

Process & Thread

💡 운영체제란 무엇인가?

💡 프로세스와 스레드에 대해 설명해주세요.

💡 멀티 스레드의 장점 및 단점은 무엇인가?

💡 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

💡 스레드에 스택을 독립적으로 할당하는 이유?

💡 PC레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유?

💡 자바 스레드란?

💡 Thread-safe가 뭐에요?

💡 세마포어와 뮤텍스를 설명해주세요.

Scheduling

💡 스케줄러란?

💡 스케줄링 단계를 설명해주세요.

💡 스케줄링이 무엇인지와 목적을 설명해주세요

💡 Context Switching이 뭐에요?

💡 PCB에 저장되는 정보는 어떤 것들이 있나요?

💡 비선점방식과 선점방식을 설명해주세요.

💡 Round Robin 스케줄링이 뭐에요?

💡 스케줄링 기법 중 FCFS의 단점과 해결 방법을 설명해주세요.

메모리 관리 전략

💡 교착상태 vs 기아상태

💡 운영 체제에서 에이징(Aging)는 무엇입니까?

💡 외부 단편화와 내부 단편화란?

💡 페이징의 장점과 단점은?

💡 메모리 단편화 해결 기법에 대해 설명하시오.

💡 페이지 교체 알고리즘 중 3가지를 선택해서 설명해주세요.

가상 메모리

💡 가상메모리의 역할은 무엇인가요?

💡 Page Fault에 대해 설명하시오.

💡 Demand Paging(요구 페이징)에 대해 설명하시오.

💡 Swapping이 무엇인가요?

💡 페이지 적중율을 극대화 시키기 위한 방법에는 무엇이 있는지 간략히 설명해주세요.

💡 Cache 메모리를 사용하는 이유에 대해 설명하시오.

커널

💡 Kernel(커널)이란?

💡 인터럽트가 필요한 이유 및 언제 발생되는지 말해주세요.

💡 인터럽트 종류는 무엇이 있으며 우선순위를 말해주세요.

💡 인터럽트 동작 과정을 말해주세요.

💡 시스템콜이란 무엇이며 시스템 콜을 사용하는 예시를 말해주세요.

💡 커널 모드와 유저 모드를 구분해 놓은 이유

💡 커널 수준 스레드와 사용자 수준 스레드의 각각 장단점?

심화질문

💡 부팅이란

💡 파일 시스템이란

💡 CISC(Complex)와 RISC(Reduced)의 차이

💡 RISC가 단순하고 빠른 구조인데 왜 CISC를 사용하나요?

💡 캐시와 레지스터의 차이점은 무엇인가요?

Operating System 답변

✏️ : 의논 중인 미완성 답변입니다.

Process & Thread 답변

💡 운영체제란 무엇인가?

• 일반적으로 하드웨어를 관리하고, 응용 프로그램과 하드웨어 사이에서 인터페이스 역할을 하며, 시스템의 동작을 제어하는 시스템 소프트웨어를 운영체제라고 합니다.

💡 프로세스와 스레드에 대해 설명해주세요.

• 프로세스는 현재 실행 중인 프로그램을 의미하며 스레드는 프로세스 내부에서 실행되는 작업 흐름의 단위를 의미합니다.

💡 멀티 스레드의 장점 및 단점은 무엇인가?

• 스레드는 자원을 공유하기 때문에 Context Switch가 적고 오버헤드가 작습니다.
• 단점은 프로세스 내부의 자원을 공유하기 때문에 동시에 자원에 접근했을 때 문제가 될 수 있습니다. 또한, 하나의 스레드가 자신의 데이터 공간을 망가뜨린다면 해당 데이터를 공유하고 있는 모든 스레드에 치명적인 문제를 발생시킵니다.

💡 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

• 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하기 위해서 입니다. 이유는 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다. 또한 프로세스간의 통신보다 쓰레드 간의 통신의 비용이 적기 때문에 멀티 프로세스보다 멀티 스레드를 사용하는 이유입니다.

💡 스레드에 스택을 독립적으로 할당하는 이유? ✏️

• 스택: 인자, 변수 등을 저장하는 메모리 공간
• 스레드마다 독립적인 함수 호출, 실행을 하기 위해서 스레드에 스택을 독립적으로 할당합니다.

💡 PC(Program Counter) 레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유? ✏️

• PC 레지스터: 스레드가 명령어의 어디까지 수행했는지
• Context Switch 할 때 이전에 어디 부분까지 작업을 수행했는지 기억하기 위해서 PC 레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당합니다.

💡 자바 스레드란?

• 일반 스레드와 거의 차이가 없으며, JVM이 운영체제의 역할을 합니다.
• 자바는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재합니다.
• 자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄링되는 코드블록입니다.
• 개발자는 스레드 코드를 작성하고 JVM에 실행을 요청합니다.

💡 Thread-safe가 뭐에요?

• 멀티 스레드 환경에서 공유 자원에 여러 스레드 접근이 있어도 프로그램 실행에 문제 없음을 의미합니다.

💡 세마포어와 뮤텍스를 설명해주세요.

• 여러 프로세스나 쓰레드가 공유 자원에 접근하는 것을 제어하기 위한 방법입니다.
• 세마포어는 count를 주어 count 값만큼 프로세스/스레드가 접근 가능하도록 하는 기법이며 뮤텍스는 lock/unlock으로 권한을 가진 프로세스/스레드만 접근할 수 있도록하는 기법입니다.

Scheduling 답변

💡 스케줄러란?

• 어떤 프로세스에게 자원을 할당할지 결정하는 운영체제의 커널 모듈입니다.

💡 스케줄링 단계를 설명해주세요.

• 장기 스케줄러에 의해 어떤 프로세스가 준비 큐에 삽입될지 결정합니다.
  • Ready Queue란 현재 메모리 내에 있으면서 CPU에 의해 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합을 의미합니다.
• 단기 스케줄러는 스케줄링 알고리즘에 따라 CPU를 할당할 프로세스를 선택합니다.
• 선택된 프로세스는 Running 상태가 되고 작업이 끝나면 Terminated 상태가 됩니다.
• 중기 스케줄러는 메모리에 너무 많은 프로그램이 동시에 올라가는 것을 조절합니다.

💡 스케줄링이 무엇인지와 목적을 설명해주세요.

• 스케줄링은 프로세서에게 필요한 자원을 어떻게 할당할 것인지 선택하는 알고리즘 입니다.
• 단위 시간당 처리량을 최대화하고 효율적으로 자원을 할당하기 위한 목적을 가지고 있습니다.

💡 Context Switching이 뭐에요? ✏️

• Context Switching이란 하나의 프로세스가 CPU를 사용 중인 상태에서 다른 프로세스가 CPU를 사용하도록 하기 위해, 이전의 프로세스의 상태(문맥)를 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 작업을 말한다.

💡 PCB에 저장되는 정보는 어떤 것들이 있나요?

• PID(프로세스 식별자), PS(프로세스 상태), PC(프로그램 카운터)등의 프로세스 정보가 있습니다.
  • PCB란? 메모리에 저장되는 프로세스 관련 정보 데이터 블록으로 스케줄링 및 문맥교환에 필요합니다.

💡 비선점방식과 선점방식을 설명해주세요.

• 비선점 방식은 프로세스가 CPU를 점유하고 있는 경우 다른 프로세스가 CPU를 빼앗지 못하는 방식입니다. 비선점방식은 CPU를 중간에 가로채지 않기 때문에 응답시간 예측이 용이하다는 장점이 있지만 중요한 작업이 오래 기다리는 경우가 발생할 수 있다는 단점이 있습니다.
• 선점 방식은 프로세스가 CPU를 점유하고 있어도 우선 순위가 높은 프로세스가 오면 CPU를 빼앗을 수 있는 방식입니다. 선점방식은 우선 순위가 높은 프로세스가 빠르게 처리할 수 있다는 장점이 있지만 잦은 Context Switching으로 오버헤드가 증가한다는 단점이 있습니다.

💡 Round Robin 스케줄링이 뭐에요?

• 스케줄링 방식 중 시분할 시스템을 위해 설계된 선점 방식의 알고리즘 입니다. 각 프로세스는 같은 크기의 CPU 시간을 할당받게 됩니다. 할당된 시간 안에 작업이 끝나지 않으면 해당 프로세스는 ready 큐에 들어가는 선입선출 방식입니다.

💡 스케줄링 기법 중 FCFS의 단점과 해결 방법을 설명해주세요.

• FCFS 는 대기 큐에 도착한 순서에 따라 CPU를 할당합니다. 그래서 긴 작업이 짧은 작업을 오랫 동안 기다릴 수 있습니다.
• 단점을 해결하는 방법으로는 준비 큐에서 기다리고 있는 프로세스 중 가장 CPU 요구량이 적은 것을 먼저 실행시켜 주는 SJF(Shortest Job First)가 있습니다.

메모리 관리 전략 답변

💡 교착상태 vs 기아상태

• 교착상태는 둘 이상의 프로세스들이 자원을 점유한 상태에서 서로 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 요구하며 무한정 기다리는 상황입니다.
• 기아상태는 병행 프로세스에서 프로세스가 실행되는데에 필수적인 자원을 끊임없이 사용하지 못하는 상황입니다.

💡 운영 체제에서 에이징(Aging)는 무엇입니까?

• aging이란 프로세스의 대기 시간에 비례하는 높은 우선순위를 부여하여 가까운 시간 안에 자원을 할당하는 기법입니다.
• Priority 스케줄링에서 기아 상태 및 무한정 대기를 에이징으로 해결할 수 있습니다.

💡 외부 단편화와 내부 단편화란?

• 내부 단편화는 프로세스가 필요한 양보다 더 큰 메모리 공간에 할당되어 메모리가 낭비되는 것을 말합니다.
• 외부 단편화는 메모리에 프로세스가 할당될 만큼 충분한 공간이 존재하지만 공간이 쪼개어져서 프로세스를 넣을 수 없는 것을 의미합니다.

💡 메모리 단편화 해결 기법에 대해 설명하시오.

• 가상메모리를 이용하여 내부 단편화 기법을 해결하는 세그멘테이션과 외부 단편화를 해결하는 페이징 기법이 있습니다.
  • Segmentation은 메모리를 서로 크기가 다른 논리적인 블록 단위인 세그먼트로 분할하여 메모리를 할당하는 기법입니다.
  • Paging은 프로세스를 일정 크기인 페이지로 잘라서 메모리에 적재하는 방식입니다.

💡 페이징의 장점과 단점은? ✏️

• 페이징 기법을 사용하게되면 하나의 프로세스가 사용하는 메모리 공간이 연속적이어야 한다는 제약을 없애 외부 단편화 문제점을 해결할 수 있습니다.
• ✏️ 하지만 그만큼 Mapping 과정 또한 늘어나기 때문에 Trade-Off 가 발생할 수 있습니다. 그리고 보통 페이지 단위에 알맞게 꽉채워 쓰는게 아니므로 내부 단편화 문제는 여전히 있습니다.

💡 페이지 교체 알고리즘 중 3가지를 선택해서 설명해주세요.

• FIFO(First In First Out)는 가장 간단한 페이지 교체 알고리즘으로 먼저 물리 메모리에 들어온 페이지 순서대로 페이지 교체 시점에 먼저 나가게 되는 알고리즘입니다.
• OPT(OPTimal replacement)는 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 찾아 교체하는 알고리즘입니다.
• LRU(Least Recently Used)는 페이지 교체 알고리즘 중 가장 많이 쓰이는 알고리즘으로 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택하여 교체하는 알고리즘입니다.

가상 메모리 답변

💡 가상메모리의 역할은 무엇인가요?

• 실제 메모리를 보조하여 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 해주는 역할입니다.

💡 Page Fault에 대해 설명하시오.

• Page fault란 지금 실행시켜야 할 Page가 실제 메모리에 올라와 있지 않는 것을 말합니다.
• Page Fault 로 인한 I/O 작업은 CPU 의 효율성을 낮추게 됩니다.

💡 Demand Paging(요구 페이징)에 대해 설명하시오.

• 요구 페이징이란 가상 메모리 관리 방법입니다.
• 프로그램 실행 시작 시에 프로그램 전체를 디스크에서 물리 메모리에 적재하는 대신, 초기에 필요한 것들만 적재하는 전략을 요구 페이징이라고 합니다.
• 가상 메모리 시스템에서 많이 사용됩니다.
  • 프로세스 실행에 실제 필요한 페이지들만 메모리로 읽어옴으로써, 사용되지 않을 페이지를 가져오는 시간과 메모리 낭비를 줄일 수 있습니다.

💡 Swapping이 무엇인가요?

• 메모리 관리를 위해 사용되는 기법 중 하나입니다. 프로세스를 불러들이기 위한 공간이 메모리에 부족하다면 현재 메모리에 적재된 프로세스들을 내보내고(swap out), 원하는 프로세스를 불러들이는 (swap in) 방식입니다.

💡 페이지 적중률을 극대화 시키기 위한 방법에는 무엇이 있는지 간략히 설명해주세요.

• 페이지 적중률을 높이기 위해 지역성을 사용합니다.
• 한 번 참조된 메모리 옆에 있는 메모리를 참조할 확률이 높다는 공간 지역성과 최근에 참조된 주소 내용은 곧 다음에 다시 참조된다는 시간 지역성이 있습니다.

💡 Cache 메모리를 사용하는 이유에 대해 설명하시오.

• 캐시 메모리는 CPU의 처리속도와 주기억장치의 접근 속도 차이를 줄이기 위해 사용하는 고속 Buffer Memory입니다.

커널 답변

💡 Kernel(커널)이란?

• 커널은 하드웨어와 응용 프로그램 사이에서 인터페이스를 제공하며 응용 프로그램이 하드웨어에서부터 오는 자원을 관리하고 사용 할 수 있게 해주는 역할을 합니다.

💡 인터럽트가 필요한 이유 및 언제 발생되는지 말해주세요.

• CPU와 I/O의 속도 차이를 극복하기 위해 인터럽트가 필요합니다.(입출력 연산이 CPU 명령 수행속도보다 현저히 느리기 때문입니다.)
• CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때, 입출력 하드웨어 등의 장치나 예외상황이 발생하여 처리가 필요한 경우에 발생합니다.

💡 인터럽트 종류는 무엇이 있으며 우선순위를 말해주세요.

• 인터럽트는 외부 인터럽트, 내부 인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 3가지로 나눌 수 있습니다.
• 외부인터럽트, 내부인터럽트, 소프트웨어 인터럽트 순으로 인터럽트의 우선순위가 높습니다.
  • 외부 인터럽트는 하드웨어가 발생시키는 인터럽트입니다. ex) CPU가 아닌 다른 하드웨어 장치가 CPU에 요청하는 경우
  • 내부 인터럽트는 CPU 내부에서 인터럽트에 걸리는 경우 발생합니다. ex) Divide by Zero
  • 소프트웨어 인터럽트는 소프트웨어가 발생시키는 인터럽트를 말합니다. ex)시스템 콜

💡 인터럽트 동작 과정을 말해주세요.

• CPU가 프로그램을 실행합니다.
• 인터럽트 요청이 들어옵니다.
• CPU는 프로그램을 중단하고 다음 실행할 명령어와 현재 상태를 PCB 블록에 저장합니다.
• ISR(Interrupt Service Routine)을 실행합니다.
• 인터럽트 종료 후 기존 상태를 복구합니다.
• 프로그램을 계속 실행합니다.

💡 시스템콜이란 무엇이며 시스템 콜을 사용하는 예시를 말해주세요. ✏️

• 응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스입니다.
• 사용자 모드에서 시스템 콜이나 라이브러리 함수를 통해 I/O 요청커널 모드로 전환 후 커널의 I/O 관리자에 의해 장치 드라이버에 요청장치 드라이버에서 받은 값을 커널에 전달받은 값을 커널이 사용자에게 전달사용자 모드로 전환 fork(),exec()
• 사용자 모드에서 malloc 함수를 이용하여 메모리 할당 요청 ← System call커널 모드로 전환 후 메모리값을 사용자에게 전달. 사용자 모드로 전환
• cp in.txt out.txt 에서 in.txt 파일을 접근할 수 있는지 검사하기 위해 시스템 콜을 호출합니다. 만약 파일이 존재하지 않는다면 에러발생, 종료 할 때도 시스템 콜이 사용됩니다.

💡 커널 모드와 유저 모드를 구분해 놓은 이유

• 시스템에 중요한 영향을 미치는 연산은 커널 모드에서만 실행 가능하도록 함으로써 하드웨어의 보안을 유지하기 위해서 입니다.

💡 커널 수준 스레드와 사용자 수준 스레드의 각각 장단점?

• 커널 수준 스레드는 커널이 직접 스레드를 제공해 주기 떄문에 안정성과 다양한 기능이 제공됩니다. 또한 커널이 각 스레드를 개별적으로 관리할 수 있습니다.
• 단점은 유저 모드에서 커널 모드로 전환이 빈번하게 이루어지기 때문에 성능이 저하됩니다.
• 사용자 수준 스레드는 커널 모드/유저모드 간 전환이 일어나지 않기 때문에 오버헤드 적다는 장점이 있습니다. 또한 라이브러리를 사용하기 때문에 이식성이 높고 유연한 스케줄링이 가능합니다. +) 운영체제에서 스레드를 지원할 필요가 없습니다.
• 반면, 하나의 스레드가 블록되면 전체 프로세스가 블록된다는 단점이 있습니다.

심화질문 답변

💡 부팅이란

• pc에 전원이 들어온 후 운영체제가 실행되기 전까지의 과정을 말합니다.
• 리눅스 부팅은 0단계부터 4단계까지 있습니다. 다음의 순서로 진행됩니다.
  • 전원 공급
  • BIOS 단계
    • ROM에 탑재된 BIOS가 키보드나 스크린의 부팅에 필요에 필요한 하드웨어의 각 장치들을 인식하고 초기화 하는 단계입니다.
  • 부트로더 단계
  • 커널 로딩
  • init 프로세스

💡 파일 시스템이란

• 컴퓨터에서 파일을 쉽게 접근할 수 있도록 관리하는 체제를 말합니다.

💡 CISC(Complex)와 RISC(Reduced)의 차이

• CISC는 RISC에 비해 연산에 처리되는 복잡한 명령어들을 탑재하고 있기 때문에 전력소모가 크고 속도가 느립니다. 다만, RISC는 CISC에 비해 하드웨어가 간단한 대신 명령어들을 조합하기 때문에 소프트웨어가 복잡해 질 수 있습니다.

💡 RISC가 단순하고 빠른 구조인데 왜 CISC를 사용하나요?

• 많은 프로세서가 CISC로 구축되어 있어 모두 RISC로 변경하기에는 많은 비용이 소모되기 때문입니다.
• 또, 호환성이 RISC보다 높습니다.

💡 캐시와 레지스터의 차이점은 무엇인가요?

• 캐시는 cpu와 별도로 있는 공간이며, 메인 메모리와 cpu 간의 속도 차이를 극복하기 위한 것입니다.
• 레지스터는 cpu 안에서 연산을 처리하기 위하여 데이터를 저장하는 공간입니다.

💡 메모리 풀(Memory pool)

• 필요한 메모리 공간과 개수만큼 메모리 풀을 만들어 놓고, 필요할 때마다 사용하고 반납하는 메모리 단편화 해결 기법입니다.
  • 메모리의 할당과 해제가 잦은 경우 쓰면 효과적입니다.
  • 필요한 크기만큼 할당을 해놓기 때문에 내부 단편화가 발생하지 않습니다.
  • 미리 공간을 할당해놓고 가져다 쓰고 반납하기 때문에 외부 단편화가 발생하지 않습니다.
• 메모리의 할당과 해제가 잦은 경우 쓰면 효과적이지만 메모리 풀을 만들고 사용하지 않아도 계속 할당을 해놓으므로 메모리 누수가 발생할 수 있습니다.
• 메모리 단편화로 인한 메모리 낭비보다 사용하지 않는 메모리가 더 크다면 사용하지 않는게 낫습니다.