[정보처리기사] 운영체제 정리 (2)

글에 앞서...

이 글은 정보처리기사의 운영체제 과목에서의 내용을 키워드 중심으로 정리한 글입니다. 해당 과목의 내용을 다시 상기시키고 앞으로 볼 필기 시험 전에 내용을 정리하고자 작성합니다. 이 글 이후로는 OS 과목에서 시험이나 면접에 출제될 만한 내용을 바탕으로 하나의 주제를 선정하여 작성할 예정입니다. 저처럼 키워드 중심으로 내용을 정리하고 싶은 분들에게 도움이 되었으면 좋겠습니다.

아래 언제나 휴일 블로그에서 제가 생각하는 중요내용에 살을 붙여 정리했습니다.

출처 : http://ehpub.co.kr/ (언제나 휴일)

1. 스케줄링 / 문맥 교환

• 스케줄링 : 프로세스가 생성되어 실행될 때 필요한 시스템의 여러 자원을 해당 프로세스에게 할당하는 작업이다.
• 문맥 교환 작업을 통해 프로세스는 이전에 수행했떤 상태에서 수행할 수 있습니다.
• 목적
1. CPU 사용 효율이 높게 스케줄링한다.
2. 우선 순위가 높은 프로세스를 먼저 수행하고 처리한다.
3. 문맥 교환에 들어가는 오버헤드를 최소화한다.
4. 작업을 요청했을 때 반응하는 응담 시간을 최고화 한다.
5. 프로세스를 시작하여 실행을 완료하는 데 걸리는 반환 시간을 최소화 한다.
6. 무한정 대기하는 작업이 발생하지 않게 한다.
• 문맥 교환(Context Switching) : 새로운 프로세스에게 CPU를 할당하기 위해 현재 CPU가 할당된 프로세스의 상태 정보를 저장하고, 새로운 프로세스의 상태 정보를 설정한 후 CPU를 할당하여 실행되도록 하는 작업이다. 운영체제에서 Overhead가 발생되는 요인이다.

2. 프로세서 스케줄링의 종류

• 비선점(Non Preemptive) 스케줄링
1. 정의 : 이미 할당된 CPU를 다른 프로세스가 강제로 빼앗아 사용할 수 없는 스케줄링 기법이다.
2. 프로세스가 CPU를 할당받으면 해당 프로세스가 완료될 때까지 CPU를 사용한다.
3. 일괄 처리 방식의 스케줄링이다.
4. 종류
1. FCFS (First Come First Service) : 큐에 도착한 순서에 따라 CPU를 할당하는 기법
2. SJF (Shortest Job First) : 실행시간이 가장 짧은 프로세스에 먼저 CPU를 할당하는 기법
3. HRN (Highest Response ratio) : 우선순위 계산 결과 값이 높은 것부터 우선 순위가 부여된다. 대기 시간이 길수록 계산 결과가 높다.
4. 우선순위 (Priority) : 우선 순위가 높은 작업이 먼저 CPU를 사용한다. 우선순위가 낮은 작업은 무한 대기 상태가 발생할 수 있다.
• 선점(Preemptive) 스케줄링
1. 정의 : 하나의 프로세스가 CPU를 할당받아 실행 하고 있을 때 우선순위가 높은 다른 프로세스가 CPU를 강제로 빼앗아 사요할 수 있는 스케줄링 기법이다.
2. 선점으로 인한 많은 오버헤드가 발생한다.
3. 시분할 시스템에 사용하는 스케줄링이다.
4. 선점을 위해 시간 배당을 위한 인터럽트용 타이머 클럭(Clock)이 필요하다.
5. 종류
1. SRT (Shortest Remaining Time) : 현재 실행 중인 프로세스의 남은 시간과 대기 큐에 프로세스의 실행 시간이 가장 짧은 프로세스가 CPU를 사용한다.
2. 선점 우선순위
3. RR (Round Robin)  : 대기 큐를 사용하여 먼저 대기한 작업이 먼저 CPU를 사용한다. CPU를 사용할 수 있는시간(Quantum) 동안 CPU를 사용한 후에 다시 대기 큐에 배치하여 대기한다. 할당되는 시간이 작을수록 문맥 교환 및 오버헤드가 자주 발생된다.
4. 다단계 큐 : 프로세스를 특정 그룹으로 분류할 수 있는 경우 그룹에 따라 각기 다른 준비상태 큐를 사용한다.
5. 다단계 피드백 큐 : 다단계 큐 기법에 적응 기법(준비상태 큐 사이를 이동할 수 있도록 개선한 기법)의 개념을 적용한 기법이다. 

3. 임계구역 / 상호 배제 / 세마포어

• 임계 구역(Critical Section)
1. 하나의 프로세스만 자원 또는 데이터를 사용하도록 지정된 공유 자원(영역)을 의미한다.
2. 특정 프로세스가 독점할 수 없다.
• 상호 배제(Mutual Exclusion)
1. 여러 프로세스가 동시에 공유 자원을 사용하려 할때 각 프로세스가 번갈아가며 공유 자원을 사용하도록 하는 임계 구역을 유지하는 방법이다.
2. 상호 배제 기법을 사용함으로써 임계 구역에서 인터럽트, 교착상태, 무한반복이 발생되지 않도록 해야된다.
• 세마포어(Semaphore)
1. 여러 개의 프로세스의 동기화에 사용된다.
2. 경쟁 자원을 사용하기 전에 임계영역에 진입할 수 있을 때까지 Wait한다.
3. 임계영역에 진입했을 때 P연산(Wait)으로 경쟁 자원 개수 1 감소
4. 경쟁 자원을 사용한 후 임계 영역을 빠져나가기 전에 V연산(Signal)으로 경쟁 자원 개수 1 증가
• 모니터 (Monitor)
1. 하나의 프로세스의 동기화에 사용된다.
• 교착상태(Dead Lock)
1. 경쟁 상태에서 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 사용하기를 무한정 대기하는 상태
2. 해결기법
1. 예방기법 : 교착 상태가 발생되지 않도록 시스템을 제어하는 방법으로, 자원의 낭비가 가장 심하다.
2. 회피 기법 : 은행원 알고리즘
3. 발견기법자원 할당 그래프 등을 사용한다.
4. 회복기법 : 할당된 자원을 선점하여 프로세스나 자원을 회복하는 것

4. 단편화

• 할당하고 반납하는 과정에서 발생하는 사용하지 않는 작은 조각
• 종류
1. 내부 단편화 : 분할된 영역이 할당될 작업의 크기보다 크기 때문에 발생되는 조각
2. 외부 단편화 : 분할된 영역이 할당될 작업의 크기보다 작기 때문에 발생되는 조각

5. 가상 기억장치(Virtual Memory)

• 보조기억장치의 일부를 주기억장치처럼 사용하는 것이다.
• 가상 기억장치 구현 기법
1. 페이징(Paging) 기법
1. 외부 단편화는 발생하지 않으나 내부 단편화가 발생한다.
2. 나눠진 프로그램(페이지)를 동일하게 나눠진 주기억장치의 영역에 적재시켜 실행하는 기법이다.
3. 페이지 맵 테이블이 필요하다.
2. 세크먼테이션(Segmentation) 기법
1. 논리적인 단위로 나눈 후 주기억장치에 적재시켜 실행시키는 기법이다.
2. 논리적인 크기로 나눈 단위를 세그먼트라고 하며, 각 세그먼트는 고유한 이름과 크기를 갖는다.
3. 내부 단편화는 발생하지 않으나 외부 단편화가 발생할 수 있다.
4. 세그먼트 맵 테이블이 피룡하다.
5. 다른 세그먼트에게 할당된 영역을 침범할 수 없으며, 이를 위해 기억장치 보호키가 필요하다.

6. 국부성 / 워킹 셋 / 스래싱

• 국부성(Locality, 구역성)
1. 실행중인 프로세스가 주기억장치를 참조할 때는 일부페이지지만 집중적으로 참조하는 성질이 있다는 이론
2. 스래싱을 방지하기 위한 워킹 셋 이론의 기반이 된다
3. 캐시 메모리 시스템의 이론적 근거이다.
4. 종류
1. 시간 구역성 : 프로세스가 실행되면서 하나의 페이지를 일정 시간동안 집중적으로 액세스하는 현상
2. 공간 구역성 : 프로세스 실행 시 일정 위치의 페이지를 집중적으로 액세스하는 현상
• 워킹 셋
1. 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합이다.
2. 구역성(Locality) 특징을 이용한다.
3. 페이지 부재 및 페이지 교체 현상을 줄인다.
• 스래싱 (Thrashing)
1. 프로세스의 처리 시간보다 페이지 교체 시간이 더 많아지는 현상