운영체제 개요

운영체제의 역할

운영체제의 역할은 크게 2가지로 나눌 수 있다.

1. 자원 관리 및 할당
2. 프로세스 및 스레드 관리

여기서 1번의 자원은 CPU, 메모리, 보조기억장치 등이다.

CPU 관리(CPU 스케줄링) : 실행중인 모든 프로그램이 CPU를 공정하게 할당받도록 관리
메모리 관리 : 실행중인 프로그램을 적절히 메모리에 적재하고, 종료된 프로그램은 메모리에서 삭제
파일/디렉토리 관리 : 보조기억장치 내부 정보를 파일 및 폴더 단위로 접근하게 해줌

2번 프로세스 및 스레드 관리는 이미 실행중인 프로그램(프로세스)에 자원을 할당하고 내부에 있는 스레드라는 실행의 단위를 관리하는 것이다.

즉 운영체제는 자원 관리자이다.

 

시스템 콜과 이중 모드

앞서 실행중인 프로그램은 메모리에 적재해야한다고 했는데, 운영체제도 일종의 프로그램이기 때문에 메모리에 적재되어야 한다. 운영체제가 적재된 곳은 커널영역, 이 외 공간은 사용자 영역이라고 한다.

일반적으로 응용프로그램들은 CPU, 메모리같은 자원에 직접적으로 접근할 수 없다. 이를 위해서는 시스템 콜을 호출해 운영체제를 조작해 자원에 접근해야한다.

시스템 콜의 처리 과정은 아래와 같다.

시스템 콜 호출 -> 소프트웨어 인터럽트 발생 -> 커널모드 전환 -> 운영체제 코드 실행 -> 사용자 모드로 전환

이렇게 사용자/커널 모드로 나눠 관리하는 것을 이중 모드(dual mode)라고 한다. 실수로라도 사용자 모드에서 자원에 접근하는 것을 방지하기 위함이다.

 

프로세스와 스레드

프로세스는 포그라운드 프로세스와 백그라운드로 나눠진다. 단어 그대로 인터페이스를 통해 사용자와 상호작용하며 실행되는 프로세스는 포그라운드, 인터페이스 없이 실행되는 것은 백그라운드 프로세스이다. 그 중에서도 사용자와 상호작용하지 않고 주어진 작업만 실행하는 프로세스를 데몬이라고 한다.

프로세스가 실행되면 커널 영역에 프로세스 제어 블록(PCB) 정보가 저장되고, 사용자 영역에 코드영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역이 저장된다.

참고로 PCB들은 커널 내에 프로세스 테이블 형태로 관리되는 경우가 많다. 즉 프로세스 테이블은 실행중인 PCB들을 모아둔 것이다. 프로세스가 새로 시작될 때 해당 프로세스의 PCB를 프로세스 테이블에 추가하고 필요한 자원을 할당한다. 이후 프로세스가 종료된다면 사용중이던 자원을 해제하고 PCB를 프로세스 테이블에서 삭제한다.

만약 자원은 해제되었는데 PCB는 남아있는 경우가 있다. 이를 좀비 프로세스(zombie process)라고 한다.

프로세스가 실행되려면 메모리에 적재되어야 한다. 메모리에 적재된 프로세스들은 CPU를 정해진 시간만큼 나눠서 사용한다. 정해진 시간이 끝났다는 것은 타이머 인터럽트에 의해 알게 되는데, 프로세스 A는 자신의 차례가 되면 CPU를 사용하다가 타이머 인터럽트가 발생하면 다음 프로세스B에 CPU사용권을 넘기고 다시 기다린다.

이때 프로세스 A는 프로그램 카운터, 레지스터 값, 메모리 정보 등 작업하던 정보를 저장해놔야 한다. 이런 정보들을 Context라고 하는데 이것은 PCB(Process Control Block)에 저장된다. 이렇게 PCB에 정보를 저장하고 B에게 CPU 사용권을 넘겼다가 다시 A의 차례가 돌아오면 운영체제는 A의 PCB에서 Context를 가져와 값들을 복구한다.

이렇게 기존 프로세스의 Context를 PCB에 백업하고 PCB에서 Context를 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것을 Context Switching이라고 한다.

 

프로세스의 상태

프로세스는 아래와 같이 여러 상태를 거치며 실행된다. 운영체제는 PCB를 통해 프로세스의 상태를 인식하고 관리한다.