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SSAFY CS 스터디: 3주차 리뷰

리뷰 정보
  • 범위: 이취컴 Chapter 03-1 ~ 03-4 (p.134~204)
  • 참여형태: 🏹공격조

🔮 Chapter 03-1: 운영체제의 큰 그림

운영체제의 두 가지 핵심 기능을 말씀해주세요.​

답변

운영체제의 핵심 기능 2가지는 자원 할당 및 관리와 프로세스 및 스레드 관리입니다.

추가 질문: 자원 할당 및 관리로는 어떤 예시들이 있나요?
👉️ CPU 스케줄링, 가상 메모리, 파일 시스템 관리


프로세스와 스레드의 차이점을 말씀해주세요.​

답변

프로세스는 실행 중인 프로그램이며, 스레드는 프로세스를 이루는 실행의 단위입니다.


커널 영역과 사용자 영역의 차이점을 말씀해주세요.​

답변

커널 영역은 운영체제를 적재하여 실행하는 공간이고, 사용자 영역은 사용자 응용 프로그램이 적재되고 실행되는 공간입니다.


시스템 콜의 정의와 이것이 필요한 이유를 사용자 프로그램의 권한 관점에서 설명해주세요.​

답변

시스템 콜은 응용 프로그램이 운영체제의 서비스를 제공받기 위해 호출하는 인터페이스입니다.
응용 프로그램이 하드웨어나 민감한 자원에 직접 접근하면 시스템 전체의 안전을 해칠 수 있으므로,
권한이 제한된 사용자 모드에서 실행되다가, 자원 접근이 필요할 때 시스템 콜을 통해 커널 모드로 전환하여 안전하게 실행하도록 하는 것입니다.


CPU의 이중 모드인 사용자 모드와 커널 모드의 차이점을 설명해주세요.​

답변
  • 사용자 모드: 응용 프로그램이 실행되는 모드로, 자원에 접근하는 명령어를 실행할 수 없습니다.
  • 커널 모드: 운영체제 코드가 실행되는 모드로, CPU가 모든 자원에 접근하고 명령어를 실행할 수 있습니다.

추가 질문: CPU는 현재 모드가 무엇인지 어떻게 구분하나요?
👉️ CPU는 플래그 레지스터 속의 슈퍼바이저 플래그를 통해 현재 어떤 모드인지 구분하여 시스템을 보호합니다.


시스템 콜이 호출되었을 때, CPU에서 일어나는 과정을 요약해주세요.​

답변
  1. 사용자 프로그램이 시스템 콜을 호출하여 소프트웨어 인터럽트를 발생시킵니다.
  2. CPU는 현재 작업을 백업하고 사용자 모드에서 커널 모드로 전환합니다.
  3. 커널 영역의 시스템 콜 서비스 루틴을 실행하여 요청된 작업을 수행합니다.
  4. 작업 완료 후 사용자 모드로 복귀하여 응용 프로그램 실행을 재개합니다.

🔮 Chapter 03-2: 프로세스와 스레드

프로세스의 메모리 영역 구조를 각각 설명해주세요.​

답변
  • 코드 영역(=텍스트 영역): 실행할 명령어 저장, read-only 영역
  • 데이터 영역: 초기값이 있는 전역변수, 정적변수를 저장 (프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간)
  • BSS 영역: 초기값이 없는 데이터를 저장 (프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간)
  • 힙 영역: 개발자가 직접 할당하는 공간. 반환하지 않으면 메모리 누수 문제 발생.
  • 스택 영역: 함수 매개변수, 지역 변수, 함수 복귀 주소 저장 (일시적으로 사용할 값을 저장하는 공간)

추가 질문: 왜 이렇게 분리하여 관리해야 할까요?
👉️ 영역을 분리함으로써 코드와 같은 읽기 전용 데이터를 보호하고,
실행 중 크기가 변하는 동적 할당 영역(힙, 스택)과 정적 할당 영역(코드, 데이터)을 구분하여 메모리를 효율적으로 관리할 수 있기 때문입니다.


PCB가 무엇인지 설명하고, 어디에 어떤 형태로 관리되는지, 어떤 정보를 담고 있는지 설명해주세요.​

답변

PCB는 운영체제가 프로세스를 식별하고 관리하기 위해 필요한 정보를 담은 구조체입니다.
프로세스가 생성될 때 커널 영역에 만들어지며, 프로세스 테이블 형태로 관리됩니다.
PID, 레지스터값, 프로세스 상태, CPU 스케줄링(우선순위) 정보, 메모리 적재 위치, 프로세스가 사용한 파일 및 입출력장치 정보 등을 담고 있습니다.


PCB와 관련하여 좀비 프로세스가 무엇인지 말씀해주세요.​

답변

프로세스가 비정상 종료되어 자원은 회수되었으나, 프로세스 테이블에 PCB가 남은 상태를 좀비 프로세스라고 합니다.


문맥 교환의 정의와 이 과정에서 발생하는 오버헤드에 대해 설명해주세요.​

답변

문맥 교환은 실행 중인 프로세스의 상태(문맥)를 PCB에 백업하고, PCB에서 새 프로세스의 문맥을 복구하여 실행하는 과정입니다.
너무 잦은 문맥 교환이 발생하면 교환에 드는 오버헤드 및 캐시 미스 증가로 인한 오버헤드가 발생합니다.


프로세스의 5가지 상태를 각각 간략히 설명해주세요.​

답변
  • 생성(new): 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태
  • 준비(ready): CPU 할당을 대기중인 상태
  • 실행(running): CPU를 할당받아 실행중인 상태
    • dispatch: 준비 상태에서 실행 상태로 전환되는 것
    • 타이머 인터럽트 발생 시 준비 상태가 됨
  • 대기(blocked): 입출력 작업 요청, 바로 확보할 수 없는 자원 요청 시
    • 입출력 작업 완료 시 준비 상태가 됨
  • 종료(terminated): 프로세스가 종료된 상태. PCB와 사용된 메모리가 정리됨.

프로세스의 5가지 상태 중 대기 상태와 준비 상태의 차이는 무엇인가요?​

답변

준비 상태는 CPU만 할당받으면 즉시 실행 가능한 상태이지만,
대기 상태는 입출력 작업이나 특정 이벤트가 완료될 때까지 기다리는 상태로, CPU를 할당받아도 당장 실행할 수 없는 상태라는 점이 다릅니다.


멀티프로세스와 멀티스레드의 가장 큰 차이점은 무엇인가요?​

답변

가장 큰 차이점은 자원 공유 여부입니다.
멀티프로세스는 각 프로세스가 독립된 메모리 공간을 가지기 때문에 자원을 공유하지 않지만,
멀티스레드는 프로세스 자원인 힙, 데이터, 코드 영역을 공유하고, 각각은 개별적인 스택과 레지스터 값만 가집니다.
따라서 스레드는 통신 비용이 적고 효율적이지만, 하나의 스레드 문제가 프로세스 전체에 영향을 줄 수 있다는 단점이 있습니다.


IPC(프로세스 간 통신)의 대표적인 방식 두 가지를 비교해서 설명해주세요.​

답변
  • 공유 메모리: 두 프로세스가 공통의 메모리 영역을 사용. 통신 속도가 빠르지만, 데이터 일관성 문제(Race Condition)가 발생할 수 있습니다.
  • 메시지 전달: 커널을 거쳐 데이터를 주고받음. 통신 속도가 느리지만, 커널이 동기화를 제어하므로 더 안전하다는 특징이 있습니다.

IPC 중 메시지 전달 방식의 대표적인 예시를 간략히 설명해주세요.​

답변
  • 파이프: 단방향 프로세스 통신 도구
  • 시그널: 프로세스에게 특정 이벤트가 발생했음을 알리는 비동기 신호
  • RPC: 원격 코드를 실행하는 기술
  • 소켓

추가 질문: 익명 파이프와 네임드 파이프의 차이점을 말씀해주세요.
👉️ 익명 파이프는 양방향 통신을 지원하지 않고, 부모 프로세스와 자식 프로세스 간에만 통신이 가능합니다.
네임드 파이프는 양방향 통신을 지원하며, 임의의 프로세스 간에도 통신이 가능합니다.


🔮 Chapter 03-3: 동기화와 교착 상태

공유 자원과 임계 구역의 개념 및 발생할 수 있는 문제에 대해 설명해주세요.​

답변

공유 자원은 프로세스나 스레드가 공동으로 이용하는 메모리, 파일, 변수 등을 의미하며,
이 공유 자원에 접근하는 코드 영역 중 동시에 실행했을 때 문제가 발생할 수 있는 영역을 임계 구역이라고 합니다.
여러 프로세스/스레드가 동시에 임계 구역에 진입하면 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 Race Condition이 발생하여 데이터의 일관성이 깨질 수 있습니다.


Race Condition이란 무엇이며, 이를 방지하기 위한 동기화의 2가지 조건을 설명해주세요.​

답변

Race Condition은 두 개 이상의 프로세스나 스레드가 동시에 임계 구역의 코드를 실행하여 데이터 일관성 손상 등의 문제가 발생하는 상황입니다.
이를 방지하려면 다음 두 조건을 충족하여 프로세스/스레드를 실행해야 합니다.

  1. 실행 순서 제어: 프로세스/스레드를 올바른 순서대로 실행하기
  2. 상호 배제(Mutex): 동시에 접근하면 안되는 자원에 하나의 프로세스 및 스레드만 접근하도록 보장하기

Mutex Lock의 동작 원리와 주요 함수의 역할에 대해 설명해주세요.​

답변

뮤텍스 락은 하나의 자원에 대해 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 보장하는 동기화 도구입니다.

  • acquire(): 임계 구역 진입 전 호출하며, 락이 걸려 있다면 해제될 때까지 대기하고, 비어 있다면 락을 획득합니다.
  • release(): 임계 구역 작업 종료 후 호출하며, 획득한 락을 해제하여 대기 중인 다른 프로세스가 진입할 수 있게 합니다.

세마포어가 뮤텍스 락과 다른 점은 무엇이며, 어떻게 여러 자원을 관리하나요?​

답변

뮤텍스 락은 하나의 공유 자원을 대상으로 하지만, 세마포어는 공유 자원이 여러 개 있는 상황에서도 사용 가능한 범용적인 동기화 도구입니다.
세마포어는 사용 가능한 자원의 개수를 나타내는 변수 S를 사용합니다.
wait() 함수는 자원 개수를 확인하고 감소시키며 진입을 시도하고, 자원이 없으면 대기 상태로 만듭니다.
signal() 함수는 작업을 마친 후 자원을 반납하고 대기 중인 프로세스를 깨우는 역할을 합니다.


세마포어에서 대기 중인 프로세스를 관리하는 방식에 대해 설명해주세요.​

답변

wait() 호출 시점에 사용할 자원이 없을 때(S < 0) 프로세스는 무한 루프를 돌며 기다리는 '바쁜 대기'를 하지 않고, sleep()을 호출해 대기 상태로 전환됩니다.
이후 다른 프로세스가 자원을 반납하며 wakeup()을 호출하면, 대기 상태에 있던 프로세스가 준비 상태로 바뀌어 다시 실행 기회를 얻습니다.


세마포어의 기본 원리와 이진 세마포어, 카운팅 세마포어의 차이점에 대해 설명해주세요.​

답변

세마포어는 공유 자원의 개수를 나타내는 변수를 통해 여러 프로세스나 스레드의 접근을 제어하는 동기화 도구입니다.

  • 이진 세마포어: 값이 0과 1만 가질 수 있어 뮤텍스와 유사하게 상호 배제를 목적으로 사용됩니다.
  • 카운팅 세마포어: 자원이 여러 개일 때 사용하며, 사용 가능한 자원의 개수만큼 값을 가질 수 있어 다수의 프로세스가 동시에 접근하는 것을 관리합니다.

Thread Safety란 무엇이며, 자바의 Vector와 ArrayList 중 어느 것이 더 안전한지 이유와 함께 설명해주세요.​

답변

스레드 안전이란 멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 데이터에 접근하더라도 실행 결과가 일관적인 상태를 의미합니다.
Vector는 내부 메서드에 synchronized 키워드가 적용되어 있어 스레드 안전하지만,
ArrayList는 동기화 처리가 되어 있지 않아 멀티스레드 환경에서 Race Condition의 우려가 있습니다.


교착 상태가 발생하기 위한 4가지 필수 조건에 대해 설명해주세요.​

답변

교착 상태는 다음 4가지 조건이 모두 만족될 때 발생할 가능성이 생깁니다.

  1. 상호 배제: 한 번에 한 프로세스만 자원을 사용할 수 있음
  2. 점유와 대기: 자원을 가진 채 다른 자원을 기다림
  3. 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제로 뺏을 수 없음
  4. 원형 대기: 프로세스들이 서로의 자원을 원의 형태로 기다림

교착 상태 해결 방법 중 '교착 상태 회피'가 무엇이고, 대표적인 알고리즘은 어떤 것이 있나요?​

답변

교착 상태 회피는 교착 상태를 한정된 자원의 무분별한 할당으로 인해 발생하는 문제로 간주하고,
자원 할당 시 발생할 수 있는 잠재적 교착 상태 가능성을 검토하여, 시스템을 '안전 상태'로 유지할 수 있을 때만 자원을 할당하는 방식입니다.
자원의 배분 상태를 미리 파악하여 할당하며, 대표적인 알고리즘으로는 은행원 알고리즘이 있습니다.


🔮 Chapter 03-4: CPU 스케줄링

CPU burst와 I/O burst의 개념을 설명하고, 왜 운영체제가 이 두 프로세스 유형을 구분하여 스케줄링해야 하는지 설명해주세요.​

답변

CPU burst는 프로세스가 CPU를 이용하는 작업이고, I/O burst는 입출력 장치를 기다리는 작업입니다.
입출력 집중 프로세스는 CPU burst가 짧고 대기 상태에 더 많이 머무르기 때문에,
이들의 우선순위를 높여 빨리 처리하고 다시 I/O 대기 상태로 보내는 것이 전체적인 CPU 활용률과 시스템 반응성을 높이는데 유리하기 때문에 구분하여 스케줄링합니다.


선점형 스케줄링과 비선점형 스케줄링의 차이점과 각각의 장단점을 설명해주세요.​

답변

선점형은 OS가 실행 중인 프로세스의 CPU 자원을 강제로 뺏을 수 있는 방식이고, 비선점형은 프로세스가 CPU를 반납할 때까지 기다리는 방식입니다.
선점형은 빠른 응답성을 보장해 현대 OS에 적합하지만 문맥 교환 오버헤드가 발생하며,
비선점형은 오버헤드는 적지만 특정 프로세스가 CPU를 독점할 경우 시스템 전체가 멈춘 듯한 '응답 없음' 현상이 발생할 수 있습니다.


FCFS 스케줄링에서 발생할 수 있는 호위 효과란 무엇이며, 이를 어떻게 해결할 수 있나요?​

답변

호위 효과란 실행 시간이 매우 긴 프로세스가 먼저 도착하여, 뒤에 있는 짧은 프로세스들의 대기 시간이 비정상적으로 길어지는 현상입니다.
이를 해결하기 위해 실행 시간이 짧은 프로세스를 먼저 처리하는 SJF 방식이나, 일정 시간만 사용하고 넘기는 라운드 로빈 방식을 사용할 수 있습니다.


라운드 로빈 스케줄링에서 타임 슬라이스의 크기가 시스템 성능에 미치는 영향에 대해 설명해주세요.​

답변

타임 슬라이스가 너무 크면 사실상 FCFS와 다를 바 없어져 응답성이 떨어집니다.
반대로 너무 작으면 빈번한 문맥 교환으로 인해 CPU가 실제 작업보다 스케줄링 자체에 더 많은 자원을 소모하는 오버헤드가 발생합니다.
따라서 적절한 크기를 설정하는 것이 중요합니다.


우선순위 스케줄링의 치명적인 단점인 기아 현상과 이를 해결하기 위한 에이징 기법에 대해 설명해주세요.​

답변

기아 현상은 우선순위가 낮은 프로세스가 상위 우선순위 프로세스에 밀려 무한정 대기하는 현상입니다.
에이징 기법은 오랫동안 대기한 프로세스의 우선순위를 점차 높여서, 언젠가는 반드시 실행될 수 있도록 보장합니다.


다단계 피드백 큐가 현대 운영체제에서 가장 일반적인 알고리즘으로 꼽히는 이유를 설명해주세요.​

답변

MLFQ는 프로세스가 CPU를 많이 사용하면 우선순위가 낮은 큐로 이동시키고,
입출력이 잦으면 높은 우선순위 큐에 유지함으로써 I/O 집중 프로세스를 우대합니다.
또한 낮은 우선순위 큐에서 오래 기다린 프로세스를 에이징으로 격상시켜 기아 현상을 방지합니다.
이처럼 프로세스의 특성을 동적으로 파악해 반응성과 효율성을 동시에 고려하므로 일반적으로 사용됩니다.


리눅스의 CFS 알고리즘에서 사용되는 vruntime의 개념과 이것이 스케줄링에 어떻게 활용되는지 설명해주세요.​

답변

CFS(Completely Fair Scheduler)
vruntime은 프로세스가 실제로 실행된 시간(runtime)에 가중치(우선순위)를 반영한 가상 시간입니다.
리눅스는 프로세스마다 vruntime을 두어, 이 값이 가장 작은 프로세스를 다음에 실행할 대상으로 선택합니다.
이를 통해 우선순위가 높은 프로세스는 vruntime이 천천히 증가하여 더 자주 CPU를 할당받게 함으로써 공평한 자원 배분을 실현합니다.