운영체제 | Operating System

Posted Apr 4, 2025 Updated Apr 7, 2025

By 맹

30 min read

내가 볼려고 작성한 CS 공부.

⚙️ 운영체제 – 프로세스와 스레드

운영체제는 여러 프로그램이 동시에 동작할 수 있도록 자원을 관리하고,
각 프로그램이 CPU와 메모리 등의 자원을 효율적으로 사용할 수 있게 도와주는 소프트웨어다.
그 핵심 개념 중 가장 중요한 것이 바로 프로세스(Process) 와 스레드(Thread) 다.

✅ 1. 프로세스 (Process)

1.1 정의

프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미하며, 운영체제에 의해 독립된 자원을 할당받는 단위이다.

1.2 특징

하나의 프로그램은 하나 이상의 프로세스로 실행될 수 있다.
각 프로세스는 자신만의 메모리 공간(코드, 데이터, 힙, 스택)을 가진다.
운영체제는 여러 프로세스를 CPU 시간 단위로 번갈아가며 실행한다.

1.3 메모리 구조

영역	설명
코드 영역	실행할 명령어가 저장됨
데이터 영역	전역 변수, static 변수 저장
힙 영역	동적 할당되는 메모리 (예: new, malloc)
스택 영역	함수 호출, 지역 변수 저장

각 프로세스는 이 메모리 구조를 독립적으로 가지므로 서로 침범할 수 없다.

✅ 2. 스레드 (Thread)

2.1 정의

스레드는 프로세스 내에서 실행 흐름의 최소 단위이며,
같은 프로세스 내 자원을 공유하면서 독립적으로 실행되는 흐름이다.

2.2 특징

하나의 프로세스 안에 여러 개의 스레드가 있을 수 있다.
코드, 데이터, 힙은 공유하지만, 스택은 각각 따로 사용한다.
스레드는 생성/종료 비용이 낮고, 전환 속도도 빠르다.

스레드를 사용하면 한 프로그램 내에서 여러 작업을 동시에 할 수 있다 (예: 채팅 앱에서 메시지 수신과 입력을 동시에 처리).

2.3 단일 스레드 vs 멀티 스레드

구분	단일 스레드	멀티 스레드
실행 흐름	1개	여러 개
속도	상대적으로 느림	병렬 처리 가능
자원 공유	불필요	자원 공유 필요 (주의: 충돌 가능)

✅ 3. 프로세스와 스레드의 비교

항목	프로세스	스레드
정의	실행 중인 프로그램	프로세스 내 실행 단위
메모리	독립된 메모리 공간	코드, 데이터, 힙 공유, 스택은 분리
생성 비용	높음	낮음
문맥 교환 비용	높음	낮음
오류 전파	서로 독립적	한 스레드 오류 → 전체 프로세스에 영향 가능

프로세스는 완전히 독립적인 실행 단위이고,
스레드는 협력적으로 일하는 작은 실행 단위로 이해하면 된다.

⚙️ 운영체제 – 문맥 교환과 스케줄링

운영체제는 여러 프로그램이 동시에 실행되는 환경에서
CPU를 효율적으로 배분하고 관리하는 역할을 한다.
그 핵심 메커니즘이 문맥 교환(Context Switching) 과 스케줄링(Scheduling) 이다.

✅ 1. 문맥 교환 (Context Switching)

1.1 정의

문맥 교환은 CPU가 현재 실행 중인 프로세스나 스레드의 상태를 저장하고,
다른 작업으로 전환하는 과정이다.

1.2 왜 필요한가?

컴퓨터는 한 번에 하나의 작업만 수행할 수 있기 때문에
여러 작업(프로세스/스레드)을 빠르게 번갈아 가며 실행해야 한다.

이 때 “지금 하던 작업을 멈추고, 다음 작업을 이어서 하기 위해 상태를 저장하고 불러오는 과정”이 문맥 교환이다.

1.3 포함되는 정보

항목	설명
레지스터 값	연산 중이던 데이터, 주소 등
프로그램 카운터	다음에 실행할 명령어 위치
스택 포인터	함수 호출 시 사용된 스택 정보
CPU 상태	제어 플래그, 인터럽트 설정 등

이 정보들은 운영체제가 프로세스마다 갖고 있는 PCB (Process Control Block) 에 저장된다.

1.4 단점

문맥 교환 자체가 오버헤드(비용)가 크다.
스레드 간 전환은 비용이 낮지만, 프로세스 간 전환은 많은 상태 정보를 저장/복원해야 하므로 상대적으로 느리다.

✅ 2. CPU 스케줄링 (Scheduling)

2.1 정의

스케줄링은 운영체제가 어떤 작업에 CPU를 먼저 줄 것인지 결정하는 정책과 메커니즘이다.

2.2 선점형 vs 비선점형

유형	설명
선점형 (Preemptive)	실행 중이던 작업을 강제로 중단하고 다른 작업으로 전환 가능
비선점형 (Non-preemptive)	실행 중인 작업이 스스로 종료하거나 대기 상태가 되기 전까지 계속 실행됨

대부분의 현대 운영체제는 선점형을 사용한다.
사용자 반응성을 높이고, 중요한 작업을 빠르게 처리하기 위해 필요하다.

2.3 주요 스케줄링 알고리즘

이름	특징
FCFS (First Come First Served)	먼저 도착한 작업부터 실행
SJF (Shortest Job First)	실행 시간이 가장 짧은 작업부터
Round Robin (RR)	일정 시간(퀀텀)마다 교체
Priority Scheduling	우선순위가 높은 작업부터 실행

운영체제는 위 알고리즘들을 상황에 따라 혼합하여 사용하기도 한다.

2.4 시분할 시스템에서의 사용

Round Robin은 대표적인 시분할(Time-sharing) 스케줄링 방식이다.
모든 작업에 공정한 CPU 사용 기회를 보장한다.

퀀텀(Quantum): 작업 하나가 CPU를 차지할 수 있는 시간 조각

⚙️ 운영체제 – 동기화: 뮤텍스, 세마포어, 모니터

멀티스레드 환경에서는 여러 작업이 동시에 같은 자원에 접근하려 할 때 충돌이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 막고 안전하게 처리하기 위한 기술이 동기화(Synchronization) 이다.

✅ 1. 동기화란?

1.1 정의

동기화는 여러 작업이 동시에 실행될 때,
데이터의 일관성과 안전성을 보장하는 기법이다.

1.2 왜 필요한가?

두 개 이상의 스레드가 공유 자원(예: 전역 변수, 파일)에 동시에 접근하면
예기치 않은 결과나 충돌이 발생할 수 있다.

예: 은행 계좌 잔액을 동시에 업데이트하는 두 스레드가 값을 덮어쓰면 잘못된 금액이 저장될 수 있다.

✅ 2. 뮤텍스 (Mutex)

2.1 정의

뮤텍스는 한 번에 하나의 스레드만 자원에 접근할 수 있게 하는 잠금 장치이다.

2.2 특징

공유 자원 앞에 자물쇠를 거는 방식
자원을 사용하려면 먼저 잠금을 획득(lock)해야 하며,
사용이 끝나면 잠금을 해제(unlock)해야 한다.

뮤텍스는 상호 배제(mutual exclusion)의 줄임말이다.

2.3 사용 흐름

스레드가 자원을 요청 → 잠금이 열려 있으면 획득
다른 스레드는 잠금이 해제될 때까지 대기
작업이 끝난 스레드는 잠금을 해제
다음 스레드가 자원 접근

✅ 3. 세마포어 (Semaphore)

3.1 정의

세마포어는 동시에 접근 가능한 스레드 수를 제한하는 동기화 도구다.

3.2 특징

내부에 숫자 값(카운터)을 가지고 있음
카운터가 0보다 크면 접근 허용, 아니면 대기
뮤텍스는 세마포어의 일종 (카운터 = 1)

3.3 종류

유형	설명
Binary Semaphore	값이 0 또는 1인 세마포어 (뮤텍스와 유사)
Counting Semaphore	값이 2 이상일 수 있어 다수의 접근 허용 가능

세마포어는 공유 자원 수량 제어에 효과적이다.
예: 연결 가능한 데이터베이스 수가 10개면 세마포어 카운터 = 10

✅ 4. 모니터 (Monitor)

4.1 정의

모니터는 데이터 + 동기화 방법(코드)를 하나로 감싼 고급 구조다.

4.2 특징

내부의 공유 자원은 한 번에 하나의 스레드만 접근 가능
자동으로 lock/unlock을 처리 (언어에 내장된 경우 많음)

자바의 synchronized, 파이썬의 with threading.Lock() 등이 모니터 개념을 반영한다.

✅ 5. 교착 상태 (Deadlock)

5.1 정의

두 개 이상의 작업이 서로 자원을 점유한 채,
상대방의 자원을 기다리면서 무한히 멈춰 있는 상태

5.2 발생 조건 (4가지가 동시에 만족)

상호 배제(Mutual Exclusion): 자원은 한 번에 하나의 작업만 사용 가능
점유와 대기(Hold and Wait): 자원을 점유한 채 다른 자원을 기다림
비선점(No Preemption): 자원을 강제로 뺏을 수 없음
순환 대기(Circular Wait): 작업들이 원형으로 자원을 기다림

이 4가지 중 하나라도 없애면 교착 상태를 방지할 수 있다.

⚙️ 운영체제 – 데드락과 해결 방법

멀티 프로세스나 멀티 스레드 환경에서는 여러 작업이 동시에 자원을 사용하다가
서로 자원을 기다리면서 무한히 멈춰버리는 상황이 발생할 수 있다.
이런 상태를 데드락(Deadlock)이라고 한다.

✅ 1. 데드락이란?

1.1 정의

데드락은 두 개 이상의 작업이 서로가 가진 자원을 끝없이 기다리며 멈춰버리는 상태를 말한다.

예:
스레드 A는 프린터를 가지고 있고, 스캐너가 필요함
스레드 B는 스캐너를 가지고 있고, 프린터가 필요함
→ 둘 다 상대방 자원을 기다리면서 영원히 대기

1.2 발생 조건 (4가지가 모두 만족될 때)

조건	설명
상호 배제	한 자원은 한 작업만 사용할 수 있음
점유와 대기	자원을 점유한 채 다른 자원을 기다림
비선점	점유한 자원을 강제로 뺏을 수 없음
순환 대기	작업들이 원형으로 자원을 서로 기다림

이 4가지 중 하나라도 깨지면 데드락은 발생하지 않는다.

✅ 2. 데드락의 해결 방법

2.1 예방 (Prevention)

아예 데드락 조건 중 하나를 미리 막아버리는 방식

예시 전략

점유와 대기 방지: 작업이 필요한 모든 자원을 한 번에 요청하게 강제
순환 대기 방지: 자원에 번호를 매기고 순서대로만 요청하게 함

예방은 비교적 단순하지만, 자원 낭비나 비효율을 초래할 수 있음

2.2 회피 (Avoidance)

데드락이 발생할 수 있는 상태에 들어가지 않도록 조심해서 실행

가장 대표적인 알고리즘: 은행가 알고리즘(Banker’s Algorithm)
→ 자원을 할당하기 전에 시스템이 안전한 상태인지 시뮬레이션

회피는 더 똑똑한 방식이지만 구현이 복잡하고 비용이 큼

2.3 발견 (Detection)과 복구 (Recovery)

데드락이 실제로 발생했는지 검사하고,
발견되면 해결하는 방식

방법

자원 할당 그래프를 분석하여 순환이 존재하는지 확인
데드락이 발견되면:
- 프로세스 강제 종료
- 자원 강제 회수 후 재시도

발견 후 복구 방식은 시스템에 충격이 클 수 있으므로 주의가 필요함

2.4 무시 (Ignore)

현실적으로 드물게 발생하고, 처리 비용이 높으면 “무시 전략”을 사용

대표 예: Unix, Linux, Windows는 데드락을 방지하지 않음
발생 시 사용자가 직접 프로세스를 종료함

이 방법은 시스템이 복잡하거나 성능 우선일 때 사용되지만, 안정성에 취약하다.

⚙️ 운영체제 – 가상 메모리와 페이지 교체 알고리즘

컴퓨터의 실제 메모리(RAM)는 한정되어 있기 때문에
모든 프로그램을 동시에 메모리에 올려놓기는 어렵다.
이를 해결하기 위한 핵심 기술이 바로 가상 메모리(Virtual Memory)다.

✅ 1. 가상 메모리 (Virtual Memory)

1.1 정의

가상 메모리는 물리 메모리보다 더 큰 메모리 공간을 사용하는 것처럼
프로그램을 실행할 수 있도록 만들어주는 기술이다.

실제로는 디스크(보조기억장치)를 이용하여
일부만 메모리에 올리고, 나머지는 필요할 때 가져온다.

1.2 동작 방식

프로그램은 자신이 큰 메모리를 모두 사용하는 것처럼 착각한다.
운영체제가 필요한 부분만 메모리에 올리고, 나머지는 디스크에 저장한다.
메모리에 없는 데이터를 접근하려 하면 → 페이지 폴트(Page Fault) 발생
- 디스크에서 해당 데이터를 불러와 메모리에 올림

1.3 주소 변환

주소	설명
가상 주소	프로그램이 사용하는 주소
물리 주소	실제 RAM의 주소

가상 주소는 페이지 단위로 나눠지며,
운영체제는 이를 물리 주소로 변환해준다.

페이지: 메모리를 관리하기 위해 일정 크기(보통 4KB)로 나눈 단위

✅ 2. 페이지 교체 알고리즘

2.1 필요성

메모리가 가득 찼을 때, 새로운 데이터를 불러오려면
기존 페이지 중 하나를 제거하고 교체해야 한다.

어떤 페이지를 제거할지를 결정하는 정책이 바로 페이지 교체 알고리즘이다.

2.2 주요 알고리즘

이름	설명
FIFO (First In First Out)	가장 먼저 들어온 페이지를 제거
LRU (Least Recently Used)	가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지 제거
LFU (Least Frequently Used)	사용 횟수가 가장 적은 페이지 제거
Optimal	앞으로 가장 오래 사용되지 않을 페이지 제거 (이론상 최적)

FIFO는 구현이 쉬우나 성능이 낮고,
LRU는 현실적으로 가장 많이 사용된다.

2.3 페이지 폴트

메모리에 존재하지 않는 페이지에 접근하려고 할 때 발생하는 현상

디스크에서 해당 페이지를 읽어 메모리에 올려야 하므로 속도가 매우 느림
페이지 교체 알고리즘은 페이지 폴트를 최소화하는 것이 목표다

⚙️ 운영체제 – 파일 시스템과 I/O 시스템

운영체제는 사용자와 저장장치 사이에서 데이터를 안전하고 효율적으로 저장하고 읽을 수 있게 해준다.
이를 담당하는 핵심 구조가 파일 시스템(File System)과 입출력 시스템(I/O System)이다.

✅ 1. 파일 시스템 (File System)

1.1 정의

파일 시스템은 데이터를 파일 단위로 저장하고 관리하는 운영체제의 구성 요소다.

1.2 역할

데이터를 논리적으로 분할하고 구조화된 형태(파일, 폴더)로 저장
파일의 이름, 위치, 크기, 접근 권한 등을 추적 및 관리
사용자, 응용 프로그램, 하드웨어 간 데이터 접근을 중재

1.3 주요 구성 요소

구성 요소	설명
파일	데이터를 저장하는 기본 단위
디렉터리	파일을 분류하고 정리하는 계층 구조
inode (유닉스)	파일의 메타데이터를 저장하는 구조
FAT / NTFS / ext4	실제 파일 시스템 포맷 (운영체제별로 다름)

inode: 파일의 이름을 제외한 모든 정보(크기, 위치, 권한 등)를 가지고 있는 데이터 구조

1.4 파일 할당 방식

방식	설명
연속 할당	연속된 공간에 저장 (빠르지만 공간 낭비 우려)
연결 할당	파일을 조각내어 저장, 포인터로 연결
인덱스 할당	인덱스 블록에 모든 블록 주소를 저장 (가장 일반적)

✅ 2. I/O 시스템 (입출력 시스템)

2.1 정의

I/O 시스템은 운영체제가 저장장치, 네트워크, 키보드, 마우스 등 다양한 장치와 데이터를 주고받는 시스템 구성이다.

2.2 역할

다양한 입출력 장치를 통일된 방식으로 다룰 수 있도록 추상화
드라이버(driver)를 통해 장치와 운영체제 간 통신을 담당
버퍼링, 캐싱, 스풀링 등의 기술로 I/O 효율을 높임

드라이버: 특정 하드웨어 장치를 제어할 수 있도록 해주는 소프트웨어

2.3 입출력 동작 방식

방식	설명
프로그램 직접 제어	CPU가 입출력을 직접 제어 (비효율적)
인터럽트 기반	장치가 준비되었을 때만 CPU에게 알려줌
DMA (Direct Memory Access)	장치가 CPU 도움 없이 메모리와 직접 데이터 주고받음

DMA는 CPU의 개입 없이 데이터를 빠르게 전달할 수 있어 고속 장치에서 중요하게 사용된다.

2.4 I/O 최적화 기법

기법	설명
버퍼링	중간 임시 저장소를 통해 처리 속도 차이를 완충
캐싱	자주 쓰는 데이터를 임시로 저장해 빠르게 접근
스풀링	프린터처럼 순차 처리가 필요한 장치에 대기열 생성

스풀링(spooling)은 “일감 예약”처럼 생각하면 된다. 인쇄할 파일을 먼저 줄 세워 놓고 하나씩 보내는 구조

⚙️ 운영체제 – 부팅 과정과 커널 구조

컴퓨터는 전원을 켜는 순간부터 운영체제가 실행되기까지
여러 단계를 거쳐야 한다. 이 과정을 부팅(booting)이라고 하며,
중앙에 있는 핵심 소프트웨어가 바로 커널(Kernel)이다.

✅ 1. 부팅 과정

1.1 정의

부팅이란 컴퓨터에 전원이 켜진 후, 운영체제가 메모리에 적재되어
사용 가능한 상태로 전환되는 일련의 과정이다.

1.2 전체 흐름

전원 공급
하드웨어 초기화 시작
BIOS/UEFI 실행
하드웨어 장치 점검 (POST), 부트 장치 탐색
BIOS: Basic Input/Output System
UEFI: BIOS의 현대적 버전
MBR 또는 EFI에서 부트로더 로드
운영체제를 메모리에 올리는 작은 프로그램 실행
부트로더: 운영체제를 메모리에 적재하는 역할 (ex: GRUB)
운영체제 커널 로딩
운영체제의 핵심인 커널을 메모리에 적재
시스템 서비스, 드라이버 초기화 → 사용자 환경 제공

1.3 부트로더란?

부트로더는 운영체제를 시작할 수 있도록 도와주는 작은 프로그램이다.
BIOS/UEFI가 하드디스크에서 부트로더를 찾아 실행시킨다.

✅ 2. 커널 (Kernel)

2.1 정의

커널은 운영체제의 핵심으로,
하드웨어와 사용자 프로그램 사이를 중재하는 핵심 소프트웨어이다.

운영체제의 가장 중심에 위치하며, 모든 자원 관리와 시스템 호출을 처리한다.

2.2 역할

기능	설명
프로세스 관리	작업 생성, 삭제, 스케줄링
메모리 관리	RAM 할당, 가상 메모리 구성
파일 시스템 관리	파일 접근, 디렉터리 관리
장치 드라이버 관리	입출력 장치 제어
시스템 콜 처리	사용자 프로그램의 요청을 커널이 수행

2.3 커널의 종류

종류	설명
모놀리식 커널	커널이 모든 기능을 하나로 포함 (ex: Linux)
마이크로커널	핵심 기능만 커널에 넣고 나머지는 외부 프로세스로 분리
하이브리드 커널	위 두 방식을 절충 (ex: Windows NT)

마이크로커널은 안정성이 높지만 성능이 떨어질 수 있고,
모놀리식은 성능은 좋지만 안정성 측면에서 복잡도가 높다.

2.4 시스템 콜이란?

시스템 콜(System Call)은 사용자 프로그램이 커널에게 작업을 요청하는 창구다.
예: 파일 열기, 메모리 할당, 프로세스 생성 등

CS, Operating System

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