운영체제(Operating System) 개요

Goal

• 운영체제의 핵심 기능에 대한 이해
• 주요 운영체제 설계 영역에 대한 이해
• 가상화에 대해 정의하고 설명할 수 있음
• 운영체제 설계 이슈에 대한 이해

 

운영체제

• 응용 프로그램의 실행을 제어하는 프로그램
• 컴퓨터 사용자와 하드웨어 사이에 중재자(intermediary) 역할을 하는 프로그램
• 커널 (Kernel) : 주 메모리에 상주하는 운영체제 핵심

 

일괄처리 멀티 프로그래밍

• 여러 개의 프로그램이 메모리에 올라와 CPU를 번갈하가며 사용하며 작업을 수행

• 멀티 프로그래밍을 위한 운영체제 기능

  • 운영체제에 의해 I/O 작업이 수행
  • 메모리 관리 : 여러 개의 job에 메모리 할당
  • CPU 스케줄링 : 준비 상태에 있는 job 중 하나를 선택해 CPU를 할당

• 목적 : CPU 이용률(utilization)의 극대화

• 단점 : 수행중인 job과 상호 작용이 안됨

• 한 작업이 입출력을 대기해야 할 때, 처리기는 다른 작업으로 제어를 넘김

  

 

시분할 시스템 (Time Sharing System)

• 여러 개의 대화형 작업들을 다루기에 적합
• 처리기 시간은 여러 사용자들이 공유하며, 터미널을 통해 동시에 시스템에 접근
• OS는 CPU 시간을 조금(quantum)씩 쪼개어(slicing) 각 사용자 프로그램을 실행시킴

 

일괄처리 멀티프로그래밍과 시분할 시스템 비교

일괄 처리 멀티프로그래밍시분할 시스템

주요 목적	처리기 이용률의 최대화	응답시간의 최소화
명령어 소스	작업과 함께 제공되는 작업 제어 언어 명령어	터미널에서 입력되는 명령어

 

운영체제 핵심 기능 - 프로세스 관리

1. 멀티프로그래밍 일괄처리 동작 : 처리기는 주 메모리에 있는 다양한 여러 프로그램들을 돌아가며 실행시킴

2. 시분할 시스템 : 개별 사용자에게 빨리 응답해야 하면서도 동시에 여러 사용자들을 지원할 수 있어야함

3. Real-time Transaction Systems : 많은 사용자들이 한 DB에 대해 동시에 질의와 갱신을 입력

   ※ 위 3가지는 타이밍과 동기화라는 문제를 야기했고, 프로세스 개념 탄생에 큰 기여를 함

 

프로세스의 구성 요소

1. 실행 가능 프로그램
2. 프로그램 수행에 필요한 데이터(변수, 작업 공간, 버퍼 등)
3. 프로그램의 실행 문맥 또는 상태(프로세스 레지스터 값, 우선순위 정보 등)

 

전형적인 프로세스 구현

 

운영체제 핵심 기능 - 메모리 관리

• 메모리 관리를 위해 OS가 지원해야할 5가지 핵심 기능
  1. 프로세스 분리
  2. 자동 할당 및 관리
  3. 모듈식 프로그래밍 지원
  4. 보호 및 접근 제어
  5. 영구적 저장 지원

 

가상 메모리

• 주 메모리 크기에 상관 없이 논리적 관점에서 메모리 주소 지정을 할 수 있게 해주는 기법
• 여러 개의 사용자 프로그램들이 동시에 주 메모리에 올라와 있어도 프로그램들이 통일된 주소 지정 방식을 사용할 수 있게 해주는 역할을 함

 

페이징

• 프로세스 메모리를 페이지라고 하는 고정-크기 블록 단위로 잘라서 관리하는 기법

• 프로그램은 가상 주소를 통해 원하는 워드에 접근

• 가상 주소

  • 구성 : 가상 페이지 번호 + 페이지 내에서의 오프셋
  • 가상 페이지에 해당하는 실제 페이지는 주 메모리 내 또는 보조기억장치 내 어느 위치에도 존재할 수 있음
  • 가상 주소를 주 메모리 내의 물리주소로 동적으로 바꾸기 위해 OS가 매핑 정보를 제공

• 가상 메모리 개념

  

• 가상 메모리 주소 지정

  

 

운영체제 핵심 기능 - 스케줄링과 자원 관리

• 자원 할당 정책이 반드시 갖고 있어야 할 고려사항

  1. 효율성(Efficiency)
  2. 공정성(fairness)
  3. 반응시간 차등화(Differential Reponsiveness)

• 멀티프로그래밍을 위한 운영체제 주요 요소

  

 

최근 운영체제 발전

• OS는 필요에 따라 OS 구조를 바꾸는 방법을 통해 새로운 기능을 지원하기도 함

  1. 마이크로커널 구조 : 몇몇 핵심 기능들만 커널에 포함시킴(address spaces, InterProcess Communication, Basic Scheduling)

     • 장점 : 유연성, 분산 환경에 적합한 커널 구조

  2. 멀티쓰레딩 : 한 프로세스를 여러 개의 쓰레드(실행흐름)으로 나누어 병행적으로 실행시키는 기법

     • 쓰레드(Thread)
       • CPU에 작업을 할당하는 디스패칭 단위
       • 서브루틴 분기/복귀를 가능하게 하기 위한 처리기 문맥과 쓰레드 만의 데이터 영역을 포함하고 있음
       • 순차적으로 실행되며 인터럽트 가능
     • 프로세스(Process) : 하나 이상의 쓰레드와 시스템 자원들의 컨테이너 역할

  3. 대칭적 멀티프로세싱(SMP) : 여러 프로세스들이 동시에 실행될 수 있는 구조

     • 여러 개의 처리기들이 주 메모리와 I/O 장치들을 공유함

     • 모든 처리기들의 능력에 차등이 없음

     • OS는 쓰레드나 프로세스들을 각 처리기로 스케줄링 하고, 처리기들 간의 동기화도 책임짐

     • 장점

       1. 성능 : 여러 프로세스들이 서로 다른 처리기 상에서 동시에 실행될 수 있음
       2. 가용성 : 처리기 하나가 고장 났더라도 시스템 전체가 망가지지는 않음
       3. 점진적 성장 : 시스템에 처리기를 추가하면 추가한만큼 전체 시스템의 성능이 높아짐
       4. 확장성 : 벤더들은 시스템에 장착된 처리기의 개수를 조절하며 제품 라인을 다양하게 출시할 수 있음

     • 멀티프로그래밍과 멀티프로세싱

       

  4. 분산 운영체제

  5. 객체-지향 설계 : 소형화된 커널에 모듈식 확장 기능을 추가할 때 유용하며 시스템 일관성을 깨지 않은 채로 OS를 커스터마이징 하고자 할 때에도 유용

 

결함허용(Fault Tolerance)

• 하드웨어나 소프트웨어 고장에도 불구하고 어떤 시스템 또는 컴포넌트가 계속 정상 작동할 수 있는 능력을 일컫는 용어
• 결함 허용 척도를 시스템에 도입할 것이냐 아니냐는 그 자원이 얼마나 중요한 자원이냐에 따라 결정됨
• 결함허용 기법
  1. 프로세스 분리(Process Isolation)
  2. 병행성 제어(Concurrency)
  3. 가상 기계(Virtual Machines)
  4. 체크 포인트와 롤백(Checkpoints and Rollbacks)