운영체제 — 1강: OS의 역할, 프로세스, 스레드

운영체제(Operating System)란?

운영체제의 정의:
→ 하드웨어와 응용 소프트웨어 사이의 중간 계층
→ 컴퓨터 시스템의 자원(CPU, 메모리, I/O)을 관리하는 소프트웨어

운영체제의 두 가지 관점:
1. 자원 관리자: CPU, 메모리, 파일 시스템, I/O 장치 할당
2. 인터페이스 제공자: 사용자와 하드웨어 사이 인터페이스

주요 운영체제:
→ Windows (Microsoft)
→ macOS (Apple)
→ Linux (오픈 소스)
→ Android, iOS (모바일)

운영체제의 역할

1. 프로세스 관리:
→ 프로세스 생성·종료·스케줄링
→ 멀티태스킹 지원

2. 메모리 관리:
→ 각 프로세스에 메모리 할당
→ 가상 메모리 (Virtual Memory) 관리

3. 파일 시스템 관리:
→ 파일 생성·삭제·읽기·쓰기
→ 디렉터리 구조 관리

4. I/O 장치 관리:
→ 키보드, 마우스, 디스크, 네트워크 카드 제어
→ 장치 드라이버 인터페이스

5. 보안 및 보호:
→ 사용자 인증, 접근 제어
→ 프로세스 간 격리

프로세스(Process)

프로세스의 정의:
→ 실행 중인 프로그램 (Program in Execution)
→ 프로그램: 디스크에 저장된 수동적 코드
→ 프로세스: 메모리에 올라가 실행 중인 프로그램 인스턴스

프로세스 메모리 구조:
코드 영역 (Text): 실행 코드
데이터 영역 (Data): 전역 변수, 정적 변수
힙 (Heap): 동적으로 할당된 메모리
스택 (Stack): 함수 호출 시 지역 변수, 복귀 주소

프로세스 vs 프로그램:
→ 같은 프로그램도 여러 프로세스로 실행 가능
   예: Chrome 탭 여러 개 = 여러 프로세스
→ 프로세스는 자원(메모리, 파일)을 독립적으로 소유

프로세스 상태 (Process States)

5가지 상태:

생성 (New):
→ 프로세스 생성 중

준비 (Ready):
→ CPU 할당 대기 중
→ 실행 가능 상태

실행 (Running):
→ CPU가 프로세스 명령 실행 중
→ CPU 코어 하나에 하나의 프로세스만 실행

대기/블록 (Waiting/Blocked):
→ I/O 작업 등 이벤트 기다리는 중
→ I/O 완료 후 준비 상태로 전환

종료 (Terminated):
→ 프로세스 실행 완료

상태 전환:
New → Ready: 프로세스 생성 완료
Ready → Running: 스케줄러가 CPU 할당
Running → Ready: 타임슬라이스 만료 (선점)
Running → Waiting: I/O 요청
Waiting → Ready: I/O 완료
Running → Terminated: 프로세스 종료

PCB (Process Control Block)

PCB의 정의:
→ 각 프로세스에 대한 모든 정보를 담은 자료구조
→ 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 유지

PCB 포함 정보:
- 프로세스 식별자 (PID)
- 프로세스 상태 (New, Ready, Running, ...)
- 프로그램 카운터 (PC): 다음 실행할 명령어 주소
- CPU 레지스터 값
- CPU 스케줄링 정보 (우선순위 등)
- 메모리 관리 정보 (페이지 테이블 등)
- I/O 상태 정보

PCB 위치:
→ 커널 메모리 (사용자 프로그램이 직접 접근 불가)

컨텍스트 스위칭 (Context Switching)

컨텍스트 스위칭:
→ CPU가 한 프로세스에서 다른 프로세스로 전환

과정:
1. 현재 프로세스의 CPU 상태(레지스터, PC) → PCB에 저장
2. 새 프로세스의 PCB에서 상태 복원
3. 새 프로세스 실행 재개

비용:
→ 컨텍스트 스위칭 자체는 유용한 작업을 하지 않음 (오버헤드)
→ 스위칭이 너무 잦으면 성능 저하
→ 캐시 미스 (새 프로세스는 캐시 비워진 상태)

스위칭 발생 시점:
→ 인터럽트 (하드웨어 이벤트)
→ 시스템 콜 (소프트웨어 인터럽트)
→ 타임 슬라이스 만료 (선점형 스케줄링)

스레드 (Thread)

스레드의 정의:
→ 프로세스 내에서 실행되는 경량 실행 단위

프로세스 vs 스레드:
프로세스:
→ 독립된 메모리 공간 (코드, 데이터, 힙, 스택)
→ 생성·전환 비용 높음

스레드:
→ 같은 프로세스 내 자원 공유 (코드, 데이터, 힙)
→ 각 스레드는 독립적인 스택과 PC만 보유
→ 생성·전환 비용 낮음 (경량화)

멀티스레딩 장점:
→ 응답성 향상: UI 스레드와 작업 스레드 분리
→ 자원 공유: 프로세스 자원 공유로 효율적
→ 경제성: 스레드 생성이 프로세스 생성보다 저렴
→ 멀티코어 활용: 병렬 실행 가능

멀티스레딩 문제:
→ 경쟁 조건 (Race Condition): 공유 자원에 동시 접근
→ 교착 상태 (Deadlock): 서로 자원을 점유한 채 대기
→ 기아 (Starvation): 특정 스레드가 CPU를 오랫동안 못 받음

CPU 스케줄링

스케줄링의 목적:
→ CPU 사용률 최대화
→ 처리량 최대화
→ 대기 시간 최소화
→ 응답 시간 최소화

주요 스케줄링 알고리즘:

1. FCFS (First Come First Served):
→ 먼저 온 프로세스 먼저 실행
→ 비선점형
→ 문제: 호위 효과 (Convoy Effect): 짧은 작업이 긴 작업 뒤에서 오래 대기

2. SJF (Shortest Job First):
→ 가장 짧은 CPU 버스트 먼저 실행
→ 평균 대기 시간 최소화 (최적)
→ 문제: 긴 작업 기아 (Starvation)

3. 라운드 로빈 (Round Robin):
→ 각 프로세스에 동일한 타임 슬라이스(퀀텀) 할당
→ 선점형, 공평한 CPU 분배
→ 타임 퀀텀 크기가 성능에 큰 영향

4. 우선순위 스케줄링:
→ 우선순위 높은 프로세스 먼저 실행
→ 낮은 우선순위 프로세스 기아 가능
→ 에이징(Aging)으로 해결: 오래 기다릴수록 우선순위 증가

자주 묻는 질문

Q. 프로세스와 스레드 중 어느 것이 더 빠른가요? A. 같은 작업이라면 스레드가 더 빠릅니다. 스레드는 프로세스 내에서 메모리를 공유하므로 생성·통신·컨텍스트 스위칭 비용이 낮습니다. 그러나 스레드는 공유 메모리로 인해 동기화 문제가 발생할 수 있습니다.

Q. 실제 OS는 어느 스케줄링 알고리즘을 사용하나요? A. 현대 OS(Linux, Windows)는 단순한 하나의 알고리즘이 아닌 복잡한 복합 스케줄러를 사용합니다. Linux는 CFS(Completely Fair Scheduler)를 기본으로 사용하며, 실시간 프로세스를 위한 별도 스케줄링도 지원합니다.

OIYO 편집부