[백엔드] 운영 체제 2

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[백엔드] 운영 체제 1

카테고리 : 운영 체제

프로세스 간 통신

• 프로세스들 간의 의사소통하는 것을 IPC라고 한다. 이는 서로 다른 프로세스가 데이터를 주고 받을 수 있다는 것을 뜻하며, 동시에 접근 가능한 메모리 즉, 프로세스들이 공유하는 메모리가 필요하다는 것이다.
• 따라서 컴퓨터 내부에서 효율적으로 정보를 주고 받기 위한 통신의 일종이라고 생각하면되고, 인터넷 통신을 IPC의 확장으로 이해할 수 있다.
  • 프로세스간의 통신을 위해 '파이프'와 같은 개념이 등장하게 되었다.
• 프로세스 간 통신과 스레드 간 통신의 차이
  • 프로세스 : 생성되면서 PC를 포함하여 메모리 공간 등을 복사하여 별도의 자원을 할당
  • 스레드 : 메모리 공간과 자원을 공유한다.
  • 따라서 프로세스는 통신할 수 있는 공간이 없기 때문에 통신을 위한 별도의 공간을 만들어주어야 하기 때문에 스레드 간 통신보다 어렵다.
  • 이를 위해서 커널 영역에서 IPC라는 내부 프로세스간 통신을 제공하게 되고, 프로세스는 커널이 제공하는 IPC 설비를 이용해서 프로세스간 통신을 할 수 있다.

종류

1. 공유 메모리
   • 공유 메모리가 데이터 자체를 공유하도록 지원하는 설비. 프로세스간 메모리 영역을 공유해서 사용할 수 있도록 허용한다.
   • 프로세스가 공유 메모리 할당을 커널에 요청하면 커널은 해당 프로세스에 메모리 공간을 할당한다. 이후 어떤 프로세스건 해당 메모리 영역에 접근할 수 있다.
     • 공유 메모리가 각 프로세스에게 첨부하는 방식으로 작동하게 된다.
     • 각 프로세스가 메모리 영역에 첨부됨
   • 프로세스간 Read, Write를 모두 필요로 할 때 사용된다.
   • 대량의 정보를 다수의 프로세스에게 배포 가능하다.
   • 중개자 없이 곧바로 메모리에 접근할 수 있기 때문에 모든 IPC 중에서 가장 빠르게 작동할 수 있다.
2. 파이프
   • 통신을 위한 메모리 공간(버퍼)을 생성하여 프로세스가 데이터를 주고 받게끔 한다.
   1. 익명 파이프
      • 일반적인 파이프
      • 통신할 프로세스가 명확하게 알 수 있는 경우 사용
        • 부모-자식 이나 형제 프로세스 간 통신에 사용
        • 외부 프로세스에서 사용할 수 없다.
      • 파이프는 두 개의 프로세스를 연결하고, 하나의 프로세스는 데이터를 쓰기만, 다른 하나는 읽기만 할 수 있다. 한 쪽 방향으로만 통신이 가능한 특징 때문에 반이중 통신이라고 부르기도 한다.
      • 송/수신을 모두 하기 원한다면 두 개의 파이프를 만들어야 가능하다.
      • 간단하게 사용할 수 있다. -> PIPE 함수로 생성
      • 단점
        • 반이중 통신 -> 프로세스가 읽기와 쓰기 통신을 모두 해야한다면, 파이프 두 개를 만들어야 하므로 구현이 복잡해진다.
        • 전이중 통신을 고려해야될 상황이라면 낭비가 심하기 때문에 좋은 선택이 아니다.
   2. 네임드 파이프
      • 전혀 모르는 상태의 프로세스들 사이의 통신에 사용
        • 익명 파이프의 확장된 상태로 부모 프로세스와 무관한 다른 프로세스도 통신 가능
        • 프로세스 통신을 위해 이름이 있는 파일을 사용하기 때문에 가능하다.
        • FIFO라는 특수 파일을 이용해 서로 관련 없는 프로세스 간 통신에 사용.
        • 외부 프로세스와 통신 가능하다.
        • mkfifo or mknod 함수로 생성.
        • 단점
          • 반이중 통신 -> 전이중 통신을 위해서는 익명 파이프처럼 두 개를 만들어야 가능하다.
3. 소켓
   • 유닉스 도메인 소켓 또는 IPC 소켓은 동일한 호스트 운영 체제에서 실행되는 프로세스간 데이터를 교환하기 위한 데이터 통신 엔드 포인트이다.
     • 네트워크 소켓 통신을 통해 데이터를 공유한다.
       • 데이터 교환을 위해 양쪽 PC에서 각각 임의의 포트를 정하고 해당 포트 간의 대화를 통해 데이터를 주고 받는 방식이다.
       • 이 때 각각 PC의 포트를 담당하는 소켓은 각각 하나의 프로세스이다.
       • 해당 프로세스는 임의의 포트를 맡아 데이터를 송수신 하는 역할을 진행하는 프로세스인 것이다.
       • 각각의 PC에서 프로세스를 통해 타 PC 포트에 연결하라는 명령을 보내게 되면 두 프로세스는 서로 확인 과정을 거쳐 연결을 진행하고 연결 후 마치 파이프와 같이 1:1 로 데이터를 주고 받는 방식이다.
     • 클라이언트와 서버가 소켓을 통해서 통신하는 구조로, 원격에서 프로세스 간 데이터를 공유할 때 사용.
     • 전이중(쌍방향) 통신이 가능하다.
     • 서버/클라이언트 환경을 구축하는데 용이하다.
     • 서버(bind, listen, accept), 클라이언트(connect)
     • 중대형 애플리케이션에서 주로 사용한다.
4. 메시지 큐
   • 입출력 방식은 네임드 파이프와 동일하다.
   • 차이점
     • 메시지 큐는 파이프처럼 데이터의 흐름이 아니라 메모리 공간이다 -> 메모리를 사용한 파이프
     • 파이프나 FIFO와 달리 다수의 프로세스간 메시지를 전달할 수 있다.
   • 사용할 데이터에 번호를 붙이면서 여러 프로세스가 동시에 데이터를 쉽게 다룰 수 있다.
   • 메시지 접근을 위해서는 키가 필요하다.
5. 메모리 맵
   • 공유 메모리처럼 메모리를 공유해준다.
   • 열린 파일을 메모리에 매핑시켜서 공유하는 방식 -> 공유 매개체가 파일 + 메모리
   • 주로 파일로 대용량 데이터를 공유해야 할 때 사용
   • 파일 IO가 느릴 때 사용하면 좋다
   • 대부분 운영 체제에서는 프로세스를 실행할 때 실행 파일의 각 세그먼트를 메모리에 사상하기 위해 메모리 맵 파일을 이용한다.
   • 메모리 맵 파일은 파일의 크기를 바꿀 수는 없으며, 메모리 맵 파일을 사용하기 이전 또는 이후에만 파일의 크기를 바꿀 수 있다.
6. RPC (Remote Procedure Call)
   • 분산 네트워크 망에서 많이 사용되는 방식
   • 별도의 원격 제어를 위한 코딩 없이 다른 주소 공간에서 함수나 프로시저를 실행할 수 있게 하는 프로세스 간 통신 기술
     • 즉 원격 프로시저 호출을 이용하면 프로그래머는 함수가 실행 프로그램에 로컬 위치에 있든 원격 위치에 있든 동일한 코드를 이용할 수 있다.
   • 해당 방법은 분리된 PC에 저장된 데이터를 마치 내 PC에 존재하는 것처럼 데이터를 가져와 사용하는 통신 방법
     • 스텁(Stub)을 통해서 마치 자신의 디스크에 존재하는 것처럼 착각을 일으켜 사용하는 방식
     • 스텁 : 리눅스에서 공유 라이브러리의 일부분 중 하나
     • 프로시저 : 루틴, 서브루틴, 함수와 같은 뜻으로 사용되며 하나의 프로시저는 특정 작업을 수행하기 위한 프로그램의 일부이다. 또는 어떤 행동을 수행하기 위한 일련의 작업이다.

• 이러한 IPC 통신에서 프로세스 간 데이터를 동기화하고 보호하기 위해 세마포어 와 뮤텍스를 사용한다. -> 공유된 자원에 한 번에 하나의 프로세스만 접근시킬 때
  • 세마포어
    • 위의 다른 IPC 설비들이 대부분 프로세스 간 메시지 전송을 목적으로 하는 것에 반해, 세마포어는 프로세스간 데이터를 동기화하고 보호하는데 목적을 둔다.
    • 공유된 자원에 여러 개의 프로세스가 동시에 접근하면 안되며, 한 번에 하나의 프로세스만 접근 가능하도록 할 때 사용.
  • 뮤텍스
    • 키에 해당하는 오브젝트가 있으며, 이 오브젝트를 소유한 (스레드, 프로세스) 만이 공유자원에 접근할 수 있다.
    • 키는 하나고, 스레드나 프로세스가 공유자원을 사용하고 있으면, 다른 스레드나 프로세스가 키가 없기 때문에 공유자원을 사용못한다.

프로세스 간 통신 정리

IPC 종류	파이프	네임드 파이프	메시지 큐	공유 메모리	메모리 맵	소켓
사용 시기	부모 자식(형제) 간 단방향 통신시	다른 프로세스와 단방향 통신시	다른 프로세스와 단방향 통신시	다른 프로세스와 양방향 통신시	다른 프로세스와 양방향 통신시	다른 시스템간 양방향 통신시
공유 매개체	파일	파일	메모리	메모리	파일 + 메모리	소켓
통신 단위	스트림	스트림	구조체	구조체	페이지	스트림
통신 방향	단방향	단방향	단방향	양방향	양방향	양방향
통신 가능 범위	동일 시스템	동일 시스템	동일 시스템	동일 시스템	동일 시스템	동일 + 외부 시스템

I/O 관리

입출력 시스템

• 컴퓨터의 주요한 두 가지 작업은 연산 작업과 입출력 작업이다.
• 대부분의 경우에 연산 작업보다는 입출력 작업이 중요한데, 예를 들어 우리가 인터넷 서핑을 하거나 문서 작업을 할 때 대부분은 컴퓨터 내의 저장된 파일을 열거나 작성하는 경우가 많기 때문이다.
• 마우스, 키보드, 모니터와 같은 다양한 장치들이 컴퓨터와 잘 동작하게 하려면 둘 사이에 공통된 인터페이스가 존재해야한다.
• 이때 컴퓨터와 하드웨어 장치 사이의 공통된 인터페이스 역할을 수행하는 것이 입출력 관리의 핵심이다.
  • 이런 인터페이스의 표준화는 입출력 관리에서 매우 중요하다.
• 운영 체제 커널이 이렇게 다양한 입출력 장치들의 차이를 가려주기 위해서 장치 구동기 모듈을 사용한다.
  • 장치 구동기 : 모든 하드웨어를 일관된 인터페이스로 표현해 주며 이런 인터페이스를 그보다 상위층인 커널의 입출력 서브시스템에 제공해준다.

입출력 하드웨어의 구성

• 하드웨어 장치는 케이블을 통하거나, 무선으로 신호를 보내어 컴퓨터와 통신한다.
• 이 때 포트를 통해 컴퓨터에 접속하는데, 하드웨어 장치의 또 다른 구성요소는 제어기이다.
  • 제어기 : 포트나 입출력 장치를 제어하는 전자회로의 집합체이며, 많은 입출력 장치는 제어기를 내장하고 있다.
• 모든 제어기는 레지스터를 가지고, 컴퓨터의 프로세스는 제어기 레지스터에 bit pattern 을 쓰거나 읽음으로서 입출력을 실행한다.

입출력 하드웨어 동작

폴링

• 장치 제어기의 레지스터에는 busy bit가 있다.
  • busy bit : 현재 장치가 사용 가능한 상태인지 다른 작업을 처리하는 중이어서 사용이 불가능한 상태 인지를 나타내는 bit 이다.
  • 1 : 제어기가 바쁜 경우 (제어기 작업중)
  • 0 : 제어기가 준비 중인 경우
• 컴퓨터는 장치가 사용중인지를 알기 위해 주기적으로 busy bit 을 검사해야 하는데 이 과정을 폴링이라고 한다.
• 폴링 자체는 컴퓨터 자원이 많이 소요되지 않지만 장치가 준비하는 시간이 길어진 경우 매우 비효율적인 단점이 있다.
• 이런 경우 제어기가 자신의 상태가 바뀔 때 컴퓨터에 통보해주는 방식으로 비효율을 막을 수 있다.
  • 이때 발생시키는 신호를 인터럽트라고 한다.

인터럽트

• CPU가 프로그램을 실행하고 있을 때 입출력 하드웨어 등의 장치나 예외 상황이 발생하여 처리가 필요할 경우 CPU에게 알려 처리할 수 있도록 하는 것을 말한다.
• CPU는 인터럽트 요청 라인이라는 선을 가지는데 CPU는 매번 명령어를 끝내고 다음 명령어를 수행하기 전에 이 선을 검사한다.
• 만약 입출력 장치의 준비가 완료되어서 인터럽트 요청 라인에 신호를 보내면, CPU는 인터럽트를 확인하고 인터럽트 핸들러를 실행한다.
  • 인터럽트 핸들러 : 입출력 장치를 서비스함으로서 인터럽트를 처리한다.
• CPU는 인터럽트 발생 시 직전 작업 상태를 저장해두고 인터럽트를 처리한다.
• 인터럽트 처리가 완료된 이후에는 인터럽트가 발생하기 전의 상태로 복구시켜 중단되었던 작업을 재개한다.

작업 순서

1. 사용자가 키보드를 사용해 입력하면 키보드 컨트롤러가 인터럽트를 발생, CPU에게 알림
2. CPU는 현재 수행 중이던 작업의 상태를 저장, 인터럽트 요청을 처리하기 위해 운영 체제내에 정의된 키보드 인터럽트 처리 루틴을 찾음
3. 키보드 인터럽트 처리 루팅을 실행, 완료.
4. 인터럽트 처리가 끝나면 인터럽트가 발생하기 직전 상태를 복구시켜 중단되었던 작업을 재개.

직접 메모리 접근 (Direct Memory Access)

• CPU를 사용하여 디스크와 같은 대용량 입출력 장치의 데이터를 읽으면 CPU 사용량이 매우 높아져 컴퓨터 성능이 심각하게 저하되는 문제가 있다.
• CPU가 매번 바이트 전송을 제어하는 것은 엄청난 낭비이다.
  • PIO : CPU가 1 BYTE씩 옮기는 입출력 방식
• 많은 컴퓨터들의 CPU의 낭비를 막기 위해서 PIO를 DMA(Direct Memory Access) 제어기라고 불리는 특수 프로세서에게 위임하여 CPU의 일을 줄여준다.

출처 : https://velog.io/@ragi/Back-end-%EC%9E%85%EC%B6%9C%EB%A0%A5IO-%EA%B4%80%EB%A6%AC

• 컴퓨터는 메모리에 DMA 명령 블록을 쓴다.
• 이 블록에는 전송항 데이터가 있는 곳의 포인터와 전송할 장소에 대한 포인터, 전송할 바이트 수가 기록된다.
• CPU는 DMA 명령 블록의 주소를 DMA에게 알려주고 자신의 다른 일을 처리한다.
• DMA는 CPU의 도움 없이 자신이 직접 버스를 통해 DMA 명령 블록에 접근하여 입출력을 실행한다.

작업 순서

1. CPU가 입출력 요청을 보냄
2. DMA 제어기의 레지스터에 주소와 전송 길이가 저장
3. DMA 제어기는 한 블록의 입출력 동작을 수행, 그 동안 CPU는 다른 작업을 한다.
4. 입출력 동작 완료 시 DMA 제어기는 CPU에게 완료했다는 인터럽트를 보냄.

네트워킹

• 네트워킹 : 서로 데이터를 교환하고 리소스를 공유할 수 있는 상호 연결된 컴퓨팅 디바이스.
• 이러한 네트워크 디바이스는 통신 프로토콜이라고 하는 규칙 시스템을 사용하여 물리적 또는 무선 기술을 통해 정보를 전송한다.
• 작동하는 법
  • 노드와 링크는 컴퓨터 네트워킹의 기본 빌딩 블록이다.
    • 노드 : 모뎀, 허브 또는 스위치와 같은 데이터 통신 장치 또는 여러 대의 컴퓨터 및 프린터와 같은 데이터 단말 장치일 수 있다.
    • 링크 : 두 노드를 연결하는 전송 매체를 의미하고, 케이블 와이어나 광섬유와 같은 물리적이거나 무선 네트워크에서 사용하는 여유 공간일 수 있다.
  • 작동하는 컴퓨터 네트워크에서 노드는 링크를 통해 전자 데이터를 전송하고 수신하는 방법을 정의하는 일련의 규칙 또는 프로토콜을 따른다.
  • 컴퓨티 네트워크 아키텍처는 이러한 물리적 및 논리적 구성 요소의 디자인을 정의하며, 네트워크의 물리적 구성 요소, 기능 조직, 프로토콜 및 절차에 대한 사양을 제공한다.
• 현대적 컴퓨터 네트워크는 아래와 같은 일을 수행할 수 있다.
  1. 가상으로 운영
     • 기본 물리적 네트워크 인프라는 논리적으로 분할되어 여러 오버레이네트워크를 생성할 수 있다. 오버레이 컴퓨터 네트워크에서 노드는 가상으로 연결되며 여러 물리적 경로를 통해 노드 간에 데이터를 전송할 수 있다.
     • 예를 들면, 많은 기업 네트워크가 인터넷에 중첩되어 있다.
  2. 대규모 통합
     • 물리적으로 분산된 컴퓨터 네트워크를 연결할 수 있다. 이러한 서비스는 자동화와 모니터링을 통해 네트워크 기능을 최적화하여 하나의 대규모 고성능 네트워크를 생성할 수 있다.
     • 네트워크 서비스는 수요에 따라 확장하거나 축소할 수 있다.
  3. 변화하는 상황에 신속하게 대응
     • 많은 컴퓨터 네트워크가 소프트웨어로 정의합니다. 디지털 인터페이스를 사용하여 중앙에서 트래픽을 라우팅하고 제어할 수 있다.
     • 이러한 컴퓨터 네트워크는 가상 트래픽 관리를 지원한다.
  4. 데이터 보안 제공
     • 모든 네트워킹 솔루션에는 암호화 및 액세스 제어와 같은 기본 제공 보안 기능이 있다.
     • 바이러스 백신 소프트웨어, 방화벽 및 맬웨어 방지 프로그램과 같은 서드 파티 솔루션을 통합하여 네트워크의 보안을 강화할 수 있다.

컴퓨터 네트워크 아키텍처의 유형

1. 클라이언트 - 서버 아키텍처
   • 이러한 유형의 컴퓨터 네트워크에서 노드는 서버 또는 클라이언트일 수 있고, 서버 노드는 메모리, 처리 능력 또는 데이터와 같은 리소스를 클라이언트 노드에 제공한다.
   • 서버 노드는 클라이언트 노드 동작을 관리할 수 있으며 클라이언트는 서로 통신할 수 있지만, 리소스를 공유하지는 않는다.
   • 예를 들어, 기업 네트워크의 일부 컴퓨터 디바이스는 데이터 및 구성 설정을 저장한다. 이러한 디바이스는 네트워크의 서버입니다. 클라이언트는 서버 시스템에 요청하여 이 데이터에 액세스할 수 있다.
2. P2P 아키텍처
   • P2P(피어 투 피어) 아키텍처에서 연결된 컴퓨터는 동일한 권한을 갖는다.
   • 조정을 위한 중앙 서버가 없고, 컴퓨터 네트워크의 각 디바이스는 클라이언트 또는 서버 역할을 할 수 있다.
   • 각 피어는 전체 컴퓨터 네트워크와 메모리, 처리 능력 등의 몇 가지 리소스를 공유할 수 있다.
   • 예를 들어, 일부 회사는 P2P 아키텍처를 사용하여 여러 디지털 디바이스에서 3D 그래픽 렌더링과 같은 메모리 소비 응용 프로그램을 호스팅합니다.

기업 컴퓨테 네트워크 유형

1. LAN (Local Area Network)
   • 크기와 지역이 제한된 상호 연결된 시스템으로, 대개 단일 사무실이나 건물 내에서 컴퓨터와 디바이스를 연결한다.
   • 소규모 회사에서 사용되거나 소규모 프로토타이핑을 위한 테스트 네트워크로 사용된다
2. WAN (Wide Area Network)
   • 건물, 도시 및 국가에 걸쳐 있는 기업 네트워크이다.
   • LAN은 근거리 내에서 더 빠른 속도로 데이터를 전송하는데 사용되지만, WAN은 안전하고 신뢰할 수 있는 장거리 통신용으로 쓰인다.
   • SD-WAN 또는 소프트웨어 정의 WAN은 소프트웨어 기술로 제어되는 가상 WAN 아키텍처이다.
     • 보안 및 서비스 품질을 희생하지 않고, 애플리케이션 수준에서 제어할 수 있는 더 유연하고 신뢰할 수 있는 연결 서비스를 제공한다.
3. 서비스 제공업체 네트워크
   • 고객은 공급자로부터 네트워크 용량과 기능을 임대할 수 있다.
   • 네트워크 서비스 제공업체는 통신 회사, 데이터 캐리어, 무선 통신 제공업체, 인터넷 서비스 제공업체 및 고속 인터넷 액세스를 제공하는 케이블 텔레비전 운영자로 구성될 수 있다.
4. 클라우드 네트워크
   • 클라우드 기반 서비스가 제공하는 인프라가 있는 WAN이라고 할 수 있다.
   • 조직의 네트워크 기능 및 리소스의 일부 또는 전체의 퍼블릭 또는 프라이빗 클라우드 플랫폼에서 호스팅되며 온디맨드 방식으로 제공된다.
   • 이러한 네트워크 리소스에는 가상 라우터, 방화벽, 대역폭 및 네트워크 관리 소프트웨어 포함될 수 있으며 필요에 따라 다른 도구와 기능을 사용할 수 있다.

스레드 및 동시성

요약

• 스레드는 CPU 사용의 기본 단위를 나타내며 동일한 프로세스에 속하는 스레드는 코드 및 데이터를 포함하여 많은 프로세스 자원을 공유한다.
• 다중 스레드 응용프로그램에는 응답성, 자원 공유, 경제성, 확장성 이라는 4가지 주요 이점이 있다.
• 여러 스레드가 진행 중인 경우 동시성이 존재하는 반면에, 여러 스레드가 동시에 진행 중인 경우 병렬성이 존재한다. 단일 CPU가 있는 시스템에서는 오로지 동시성만 가능하고, 병렬성은 여러 CPU를 제공하는 다중 코어 시스템이 필요하다.
• 다중 스레드 응용프로그램을 설계하는 데 몇가지 도전과제가 있다. 작업 분할 및 균형 조정, 서로 다른 스레드 간에 데이터 분할 및 데이터 종속성 식별이 포함된다. 마지막으로, 다중 스레드 프로그래믄 테스트 및 디버깅에 특히 어려움이 있다.
• 사용자 응용 프로그램은 사용자 수준 스레드를 생성하며, 이 스레드는 궁극적으로 CPU에서 실행되도록 커널 스레드에 매핑되어야 한다. 다대일 모델은 많은 사용자 수준 스레드를 하나의 커널 스레드에 매핑한다. 다른 접근법으로는 일대일 및 다대다 모델이 있고, 현재는 일대일 모델이 대부분에 쓰인다.
• 스레드는 비동기 또는 지연 취소를 사용하여 종료될 수 있다. 비동기 취소는 스레드가 업데이트를 수행하는 중이라도 스레드를 즉시 중지한다. 지연 취소는 스레드에 종료해야 한다고 통지하지만 스레드는 질서 정연하게 종료된다. 대부분의 경우 비동기 종료보다 지연 취소가 선호된다.
• 자세한 건 아래 게시글에 있습니다.
  https://hoozy.tistory.com/entry/%EB%B0%B1%EC%97%94%EB%93%9C-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C

프로세스 관리

• 운영체제는 자원을 효율적으로 할당해 주는 역할을 한다. 이를 위해서는 각 프로그램이 메모리의 어디에 적재되는지, 어떤 프로세스가 먼저 실행되어야 하는지의 관리가 필요하다.
• 프로그램과 프로세스의 차이점
  • 프로그램 : 하드디스크에 저장된 명령어들의 집합. 프로그램의 상태(메모리에 적재되지 않은 상태)에서는 아무 일도 수행하지 않는다.
  • 프로세스 : 프로그램이 메모리에 적재된 상태. 즉 프로세스는 프로그램의 인스턴스라고도 할 수 있다.
• 프로세스는 job, task라고도 불리며 실행중인 프로그램이라도고 한다. 프로세스의 code나 data, stack, program, counter, register등의 값이 프로세스 실행중에 계속 바뀌며 한 컴퓨터 내에서 여러 프로세스가 돌아갈 수 있다.
• 한 컴퓨터 내에 여러 프로세스가 돌아가는 것을 멀티프로그래밍이라고 하며 cpu 효율을 높이기 위해 고안되었다.

프로세스의 상태

• new : 프로세스가 메인 메모리로 적재된 상태
• ready : 프로세스가 실행될 모든 준비가 끝난 상태
• running : CPU가 실제로 프로세스를 실행한 상태
• waiting : 프로세스가 대기하는 상태. 프로세스에 입출력 등의 명령이 있으면 이 프로세스는 입출력이 동작하는 동안 waiting함
• terminated : 프로세스가 종료된 상태.

1. 프로그램이 메모리에 적재되어 프로세스가 생성(new)되었다.
2. 프로세스가 실행될 모든 준비를 마쳤다(ready).
3. CPU가 실제로 프로세스를 실행(run)하였다. 이 과정에서 어떤 프로세스를 실행할 것인지 결정하는 dispatch가 동작한다.
4. 프로세스에서 입출력 명령이 있어 입출력이 동작하는 동안 프로세스는 대기(waiting)한다.
5. 입출력이 끝난 프로세스가 CPU의 서비스를 받을 준비(waiting)를 한다. 이 과정은 wait 하다가 일어난 일이기에 wake up 과정이라고도 한다.
6. 다시 CPU가 실제로 프로세스를 실행(run)한다. 이 과정에서도 dispatch가 수행된다.
7. 만약 이 system이 Time Sharing System이고, 이 프로세스가 CPU 시간을 모두 소진했다면 다시 준비 상태로 올 수 있다.
8. run의 상태에서 프로세스의 모든 명령어가 실행되었다면 이제 프로세스는 종료된다.

PCB

• 프로세스에 대한 모든 정보를 블럭 속에 저장하고 있으며, 한 개의 프로세스에 대해 한 개의 PCB가 배정된다.
• PCB 내부의 정보
  • 프로세스 state(running, ready, waiting, ...), pc, registers, MMU info (base, limit), CPU time, 프로세스 id, list of open files, ...

Queue

• 프로그램의 메모리 적재 과정과 실행등에서 queue 라는 버퍼를 이용한다. 용량의 한계와 성능의 향상 때문에 queue를 이용한다.

Queue 종류

• 모든 Queue에는 PCB가 저장되어 있다.

1. Job Queue
   • 하드디스크에서 메모리로 프로그램이 적재될 때 바로 적재되지 못하기 때문에 queue에 잠시 대기하는 공간이다.
   • 이는 프로그램은 많으나 메인 메모리의 용량이 작기 때문에 모든 프로그램이 한 번에 메인 메모리에 적재되지 못하고 순서를 기다려햐 하는 것이다.
   • Job Queue에 올라온 job은 순서를 기다리며 메인 메모리에 올라올 때까지 대기한다.
   • 보통 queue라면 FIFO 순서로 되지만, 이 Job Queue에서는 job scheduler(= long term schedular)를 통해 어떤 job을 먼저 적재할지 판단한다.
     • long term schedular인 이유
       • 일어나는 빈도가 적기 때문. 메모리로 프로그램이 적재되려면 메모리에 빈 공간이 있어야 하기 때문에 하나의 프로세스가 종료되어야 비로소 일어날 수 있다.
2. Ready Queue
   • CPU 서비스를 받기 위해 프로세스가 대기하는 공간이다. CPU 개수의 한계 때문에 메모리로 올라온 모든 프로세스가 CPU의 서비스를 받을 수 없다. 따라서 Ready queue에 잠시 대기하고 CPU의 서비스를 기다리는 것이다.
   • Ready Queue 또한 마찬가지로 cpu schedular(= short term schedular)를 통해 어떤 프로세스를 먼저 CPU 서비스를 받게 할 것인지 판단한다.
     • short term schedular인 이유
       • 일어나는 빈도가 잦다. Time Sharing System으로 인해 일정 시간이 지나면 CPU 서비스 받는 프로세스를 바꾸기 때문이다.
3. Device Queue
   • 입출력 서비스를 받기 위해 프로세스가 대기하는 공간이다. 입출력은 시간이 오래 걸리기 때문에 입출력 명령을 호출한다고 해서 바로 받을 수 있는 것이 아니다. -> 앞서 다른 이가 호출한 입출력 명령이 있어 겹칠 수 있다.
   • 따라서 Device Queue를 통해 입출력을 위한 공간을 마련한다.
   • Device Schedular를 통해 어떤 프로세스가 먼저 입출력 서비스를 받게 할 것인지를 스케쥴링한다.

멀티 프로그래밍

• 한 프로세스의 일부가 실행된 뒤 다른 프로세스의 일부가 실행되는 식으로 진행되는데 이 텀이 매우 짧아 사용자의 입장에서는 동시에실행되는 것처럼 보인다.

1. degree of multi programming : 메모리에 프로세스가 몇 개 올라와 있는지를 말한다.
2. I/O bound vs cpu-bound process
   • I/O bound 프로세스는 주로 I/O 작업을 하는 프로세스를 말하며, 워드 프로세스 등을 예로 든다.
   • cpu-bound 프로세스는 주로 CPU를 사용하는 프로세스를 말하며, 일기예보 등 슈퍼컴퓨터를 사용하는 프로세스들이 여기에 속한다고 볼 수 있다.
   • job schedular는 효율을 위해 I/O와 CPU BOUND 프로세스를 적절히 분배해 스케쥴링 해야 한다.
3. Medium-term schedular
   • long term 보단 빈도가 잦고, short term 보단 빈도가 덜하다.
   • 이 스케쥴러는 프로세스들을 검사하여 장시간 이용되지 않은 프로세스들을 추출해 하드디스크로 옮기는(swap out)하는 역할을 한다.
   • 일반적으로 하드디스크는 file system과 swap device로 이루어져 있어 장시간 사용되지 않는 프로세스를 이 하드디스크로 옮기고, 이 프로세스가 나중에 사용되려고 하면 다시 메모리로 옮기는(swap in)의 역할을 이 스케쥴러가 한다.
   • 즉, OS의 프로세스 관리부서가 프로세스를 검사해서 swap in, swap out 할지 결정하는 스케쥴러이다.
4. Context Switching (문맥 전환)
   • CPU가 프로세스 1 돌다가 프로세스 2로 넘어가는 것을 뜻한다.
   • schedular : 프로세스 한 개가 끝나고, 이후 어떤 프로세스를 실행할 것인지 결정.
   • dispatcher : 스케쥴러가 선택한 프로세스를 실행하도록 레지스터 값을 바꾼다. 즉, 준비상태에서 실행상태로 바꾼다. 이전 프로세스의 정보를 프로세스 관리부서의 PCB 1에 저장하고, PCB 2 값을 복원한다. 즉 실행했던 프로세스 정보를 PCB에 저장, 실행할 프로세스 정보를 복원.
   • Context Switching Overhead : context switching 부담. 효율을 높이기 위해 이 overhead를 최대한 줄여야한다.

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https://hoozy.tistory.com/entry/%EB%B0%B1%EC%97%94%EB%93%9C-%EA%B4%80%EA%B3%84%ED%98%95-DB

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참고 자료

https://dar0m.tistory.com/233
https://worthpreading.tistory.com/90
https://velog.io/@ragi/Back-end-%EC%9E%85%EC%B6%9C%EB%A0%A5IO-%EA%B4%80%EB%A6%AC
https://aws.amazon.com/ko/what-is/computer-networking/
https://dkswnkk.tistory.com/401?category=513905
https://velog.io/@yeunjoo121/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4-%EA%B4%80%EB%A6%AC