운영체제 면접 질문 정리

1. 운영체제란?
2. 프로세스와 스레드 차이
3. 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드 사용하는 이유
4. context switching개념, 사용 이유
5. 데드락 정의, 발생 조건
6. banker’s algorithm
7. 세마포어란?
8. 뮤텍스란?
9. 페이징이란?
10. 세그먼테이션이란?
11. CPU 스케줄링
12. 캐시 메모리

 

🍀 운영체제란

- 하드웨어를 관리하고 응용 프로그램과 하드웨어 사이에서 인터페이스 역할을 하며 시스템의 동작을 제어하는 시스템 소프트웨어

- 역할: 프로세스 관리, 저장장치 관리, 네트워크 프로토콜 지원, 사용자 관리, 디바이스 드라이버 관리

프로세스 관리: 운영체제에서 작동하는 응용 프로그램 관리, CPU를 점유해야 할 프로세스 결정, CPU를 프로세스에 할당, 프로세스 간 공유 자원 접근과 통신 등을 관리

저장장치 관리: 메인메모리와 하드디스크, NAND 등 관리

네트워크 프로토콜 지원: TCP/IP 기반 인터넷에 연결하거나 응용 프로그램이 네트워크를 사용할 수 있도록 함

사용자 관리: 사용자 별로 계정 관리, 파일, 시스템 자원의 접근 권한 지정

디바이스 드라이버 관리: 하드웨어를 추상화해주는 디바이스 드라이버들을 관리

🍀 프로세스와 스레드

code, data, heap은 스레드끼리 공유

프로세스마다 최소 하나의 스레드 소유

 

프로세스: 프로그램을 메모리 상에서 실행중인 작업, 각각 별도의 주소 공간 할당받아 사용

스레드: 프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위, 다른 스레드와 공간, 자원을 공유

 

멀티 프로세스: 하나의 컴퓨터에 여러 CPU를 사용해 여러 프로세스 병렬 처리

멀티 스레드: 하나의 응용 프로그램에서 여러 스레드 구성해 각 스레드가 하나의 작업을 처리

멀티프로세스

(+): 메모리 침범 문제를 OS차원에서 해결해 안전성 보장 

(-): 각각 독립된 메모리 영역을 가져 작업량이 많을수록 오버헤드 발생, Context Switching으로 성능 저하

 

멀티 스레드

(+): 공유 메모리만큼 시간, 자원 이득, 전역 변수와 정적변수에 대한 자료 공유 가능

(-): 공유 메모리로 인해 안전성 보장X, 하나의 스레드가 데이터 공간 망가뜨리면 모든 스레드 작동 불가 -> Critical Section 기법으로 보완

🍀 프로세스 주소 공간

최대한 데이터를 공유하여 메모리 사용량을 줄이고자 구역을 나눔

Code Segment: 프로그램 소스코드 저장

Data Segment: 전역 변수 저장

Stack Segment: 함수, 지역 변수 저장

 

🍀 인터럽트

- 프로그램 실행 도중 예기치 않은 상황 발생 시 현재 실행 중인 작업을 중단하고 발생된 상황에 대한 우선 처리가 필요함을 CPU에 알리는 것

외부 인터럽트: I/O 장치, 타이밍 장치, 전원 등 외부 요인으로 발생

내부 인터럽트: 잘못된 명령이나 데이터 사용 시 발생 ex) 0으로 나누기, 오버플로우 등

소프트웨어 인터럽트: 프로그램 처리 중 명령의 요청에 의해 발생

 

폴링 방식

인터럽트 기능이 없을 때 컨트롤러가 특정 어떤 일을 할 시기를 알기 위해 체크해야 함, 사용자가 명령어를 사용해 입력 핀의 값을 계속 읽어 변화를 알아내는 방식

신속하게 실시간 대응이 필요할 때 필수 기능

 

인터럽트

하드웨어로 지원 받아야 하는 제약 존재, 발생 시기 예측이 어려울 때 빠르게 대응 가능

🍀 시스템 콜

프로세스 생성과 제어를 위함

fork, exec: 새로운 프로세스 생성

wait: 프로세스가 만든 자식 프로세스가 끝날 때까지 기다리는 명령어

 

🍀 PCB, Context Switching

프로세스 관리: 프로세스가 여러개일 때 CPU 스케줄링을 통해 관리

 

PCB(Process Control Block)

하나의 프로세스 메타데이터가 저장되는 곳, interrupt가 발생해 앞으로 다시 수행할 대기중(waiting)인 프로세스에 관한 데이터 저장

 

Context Switching

- CPU가 이전의 프로세스 상태를 PCB에 보관하고 다른 프로세스의 정보를 PCB에서 읽어와 레지스터에 적재

- 발생하는 이유: interrupt 발생, 실행중인 CPU 사용 허가 시간 모두 소모, 입출력 대기

- 오버헤드를 감수하고 Context Switching 하는 이유: CPU가 계속해서 프로세스를 실행하도록 하여 사용자에게 빠른 일처리 제공

🍀 IPC

Inter Process Communication

- 커널에서 제공되는 프로세스 간 통신을 돕는 방법

- 종류: 익명 PIPE, Named PIPE, Message Queue, 공유 메모리, 메모리 맵

- 익명 PIPE

- Named PIPE

- Message Queue

- 공유 메모리

- 메모리 맵

🍀 CPU 스케줄링

CPU를 효율적으로 사용하기 위해 프로세스를 잘 배정하는 방법

 

목표

• Batch System - 가능한 많은 양을 처리
• Interactive System - 빠른 응답 시간, 적은 대기 시간
• Real-time System - 기한 맞추기

선점 스케줄링

- Priority Scheduling: 정적/동적으로 우선순위 부여하여 높은 순서대로 처리, Starvation 발생 시 aging으로 해결

- Round Robin: FCFS의 프로세스들을 동일 시간의 time quantum만큼 할당 후 context switching

- Multilevel Queue: time quantum이 각각 설정된 여러개의 큐를 이용해 프로세스를 각 큐에 보낸 후 실행시킴

- Multilevel Feedback Queue: time quantum을 다 채운 프로세스는 다음 큐로 이동, 채우지 못한 프로세스는 현재 큐에 유지

 

비선점 스케줄링

- FCFS: 큐에 도착한 순서대로 수행

- SJF: 수행시간이 가장 짧은 작업 먼저 수행

- HRN: 우선순위를 계산하여 SJF 방식의 점유 불평등 보완

스케줄링 척도

Response time: 작업이 처음 시작되기까지 걸린 시간

Turnaround time: 실행시간과 대기시간을 합한 시간 = 작업 완료까지 걸린 시간

🍀 데드락

여러 프로세스가 서로 원하는 자원이 다른 프로세스에 할당되어 있어 무한 wait상태에 빠져 다음 처리를 하지 못하는 상태

 

시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생

발생 조건

- 상호 배제: 자원은 한번에 한 프로세스만 사용 가능

- 점유 대기: 최소한 하나의 자원을 점유하고 있으면서 다른 프로세스에 할당되어 사용하고 있는 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 존재해야 함

- 비선점: 다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때까지 강제로 빼앗을 수 없음

- 순환 대기: 프로세스의 집합에서 순환 형태로 자원을 대기하고 있어야 함

 

처리 방법

- 예방: 교착 상태 발생 조건 중에서 하나씩 제거하면서 해결

• 상호배제 부정 : 여러 프로세스가 공유 자원 사용
• 점유대기 부정 : 프로세스 실행전 모든 자원을 할당
• 비선점 부정 : 자원 점유 중인 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 가진 자원 반납
• 순환대기 부정 : 자원에 고유번호 할당 후 순서대로 자원 요구

- 회피

• 프로세스가 자원을 요구할 때 시스템은 자원을 할당한 후 안정 상태인지 사전에 검사하여 교착 상태를 회피 -> 안정 상태이면 자원 할당, 아니면 다른 프로세스들의 자원 해지를 대기

- 탐지: 자원 할당 그래프를 통해 자원 요청 시 탐지 알고리즘을 실행시킴

- 회복: 교착 상태를 일으킨 프로세스를 중지하거나 할당된 자원을 선점해 다른 프로세스에 할당

🍀 경쟁 상태

공유 자원에 대해 여러 프로세스가 동시에 접근할 때, 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태

 

발생 상황
- 커널 작업 수행 중에 인터럽트 발생

    -> 커널 모드에서 작업 수행하는 동안은 인터럽트를 disable시켜 해결

- 프로세스가 'System Call'을 하여 커널 모드로 진입하여 작업을 수행하는 도중 context switching이 발생할 때

    -> 프로세스가 커널 모드에서 작업하는 경우 시간이 초과돼도 CPU제어권이 다른 프로세스에 넘어가지 않도록 하여 해결

- 멀티 프로세서 환경에서 공유 메모리 내의 커널 데이터에 접근할 때

    -> 커널 내부의 공유 데이터에 접근할 때마다 lock/unlock하여 해결

🍀 세마포어와 뮤텍스

세마포어

공유된 자원의 데이터에 한 번에 하나의 프로세스만 접근할 수 있도록 제한하는 방법

임계 구역(Critical Section)

여러 프로세스가 데이터를 공유하며 수행될 때, 각 프로세스에서 공유 데이터를 접근하는 프로그램 코드 부분

한 프로세스가 임계 구역을 수행할 경우 다른 프로세스의 접근 막아야 함

뮤텍스 (상호 배제)

임계 구역을 가진 스레드들의 실행시간이 서로 겹치지 않고 각각 단독으로 실행되게 하는 기술

• lock : 현재 임계 구역에 들어갈 권한을 얻어옴 ( 만약 다른 프로세스/스레드가 임계 구역 수행 중이면 종료할 때까지 대기 )
• unlock : 현재 임계 구역을 모두 사용했음을 알림. ( 대기 중인 다른 프로세스/스레드가 임계 구역에 진입할 수 있음 )

뮤텍스 알고리즘

 

Dekker 알고리즘

flag와 turn 변수를 통해 임계 구역에 들어갈 프로세스/스레드를 결정하는 방식

Peterson 알고리즘

데커와 유사하지만, 상대방 프로세스/스레드에게 진입 기회를 양보하는 것에 차이가 있음

Bakery 알고리즘

여러 프로세스/스레드에 대한 처리가 가능한 알고리즘. 가장 작은 수의 번호표를 가지고 있는 프로세스가 임계 구역에 진입한다.

🍀 페이징, 세그먼테이션

다중 프로그래밍 시스템에 여러 프로세스를 수용하기 위해 주기억장치를 동적 분할하는 메모리 관리 작업이 필요

메모리 관리 기법

- 연속 메모리 관리

• 고정 분할 기법: 주기억장치가 고정된 파티션으로 분할 -> 내부 단편화 발생
• 동적 분할 기법: 파티션들이 동적 생성되어 같은 크기의 파티션에 적재 -> 외부 단편화 발생

- 불연속 메모리 관리

페이지: 고정 사이즈의 작은 프로세스 조각 (고정 크기)
프레임: 페이지 크기와 같은 주기억장치 메모리 조각
단편화: 기억장치의 빈 공간이 여러 조각으로 나뉘는 현상
내부 단편화: 분할된 영역이 할당된 프로그램의 크기보다 커 사용되지 않고 남아있는 빈 공간
외부 단편화: 분할된 영역이 할당된 프로그램의 크기보다 작아 빈 공간으로 남아있는 전체 영역
세그먼트: 서로다른 크기를 가진 논리적 블록이 연속적 공간에 배치되는 것 (가변 크기)

• 페이징: 각 프로세스가 프레임들과 같은 길이를 가진 균등 페이지로 나뉨, 소량의 내부 단편화 존재
• 세그먼테이션: 각 프로세스가 여러 세그먼트들로 나뉨, 메모리 사용 효율 개선, 동적분할로 오버헤드 감소, 외부 단편화 존재
• 가상 메모리 페이징: 필요한 페이지가 있을 때 불러옴, 외부 단편화 X, 복잡한 메모리관리로 오버헤드 발생
• 가상 메모리 세그먼테이션: 필요한 세그먼트가 있을 때 불러옴, 내부 단편화 X, 복잡한 메모리관리로 오버헤드 발생

🍀 페이지 교체 알고리즘

요구 페이지 기법

- 가상 메모리가 필요한 페이지만 메모리에 적재하고 사용하지 않는 부분은 그대로 둠

- 새로운 페이지를 가져오기 위해 안쓰는 페이지를 out하고 해당 공간에 필요한 페이지를 in

Page Reference String

CPU의 주소 요구에 따라 페이지 결함이 일어나지 않는 부분은 생략하여 표시하는 방법
- FIFO 알고리즘

가장 먼저 메모리에 올라온 페이지를 먼저 내보냄

처음 프로세스 실행될 때 적절한 방법

- OPT 알고리즘 (Optimal)

앞으로 사용하지 않을 것으로 예상되는 페이지를 먼저 내보냄

해당 페이지가 앞으로 잘 사용되지 않을 것이라는 보장이 없으므로 수행하기 어려움

- LRU 알고리즘 (Least-Recently-Used)

최근 사용하지 않은 페이지를 먼저 내보냄

실제로 사용할 수 있는 가장 좋은 페이지 교체 알고리즘 중 하나

교체 방식

페이지 교체 시

• 메모리 상의 모든 프로세스 페이지를 교체 -> Global
• 메모리 상의 자기 프로세스 페이지에서만 교체 -> Local

🍀 메모리

메인 메모리

- CPU가 직접 접근할 수 있는 기억 장치

- 프로세스가 실행되려면 프로그램이 메모리에 올라와야 함

MMU

- 메모리 관리 장치

- 명령어 수행 시 메모리에 필요한 데이터가 없다면 가져옴

- 가상의 논리 주소를 실제 데이터가 담겨있는 물리 주소로 변환

- 메모리 보호, 캐시 관리 등 CPU가 메모리에 접근하는 것을 관리

• 메모리 보호: 한 프로세스에 합법적인 주소 영역을 설정하고 잘못된 접근이 오면 trap 발생시킴
• 메모리 과할당: 실제 메모리의 사이즈보다 더 큰 사이즈의 메모리를 프로세스에 할당한 상황 -> 프로세스 실행 중 페이지 폴트 발생
• 페이지 교체 
  • 메모리 과할당이 발생했을 때 프로세스 하나를 swap out해서 빈 프레임 확보
  • 사용자가 눈치채지 못하도록 하려면 페이지 교체 시 오버헤드를 줄여야 함 -> 1) 비트를 활용해 디스크에 기록하는 횟수를 줄여 오버헤드 줄임, 2) 페이지 교체 알고리즘을 상황에 따라 적절히 선택

캐시 메모리

- 주기억 장치에 저장된 내용의 일부를 임시로 저장해두는 기억장치

- CPU와 주기억장치의 속도 차이로 인한 성능 저하를 막는 방법

- 지역성: 기억장치 내의 정보를 한 순간 특정 부분을 집중적으로 참조하는 특성

• 시간 지역성: 최근 참조된 주소의 내용은 다음에도 참조됨
• 공간 지역성: 실제 프로그램이 참조된 주소와 인접한 주소의 내용이 다음에도 참조됨

- 캐싱 라인: 캐시에 데이터를 저장할 때 자료구조를 활용해 저장하는 데이터에 메모리 주소를 함께 저장하여 빠르게 원하는 정보를 찾을 수 있도록 함

🍀 파일 시스템

- 컴퓨터에서 파일이나 자료를 쉽게 찾을 수 있도록 유지, 관리하는 방법

- 특징: 커널 영역에서 동작, 계층적 디렉터리 구조, 디스크 파티션 별로 하나씩 둘 수 있음

- 역할: 파일 및 보조 저장소 관리, 파일 무결성 메커니즘, 접근 방법 제공

- 목적: 하드디스크와 메인 메모리 속도차 절감, 파일 관리, 하드디스크 효율적으로 이용

- 구조

• 메타 영역: 데이터 영역에 기록된 파일 이름, 위치, 크기 등 파일 정보
• 데이터 영역: 파일의 데이터

접근 방법

- 순차 접근: 포인터를 앞으로 보내면서 read, write -> 뒤로 돌아갈 때는 지정한 offset만큼 되감기

- 직접 접근: 현위치를 가리키는 cp 변수를 사용해 특별한 순서 없이 빠르게 레코드를 read, write 가능

- 기타 접근: 직접 접근 파일에 기반된 인덱스를 구축하여 크기가 큰 파일의 입출력 탐색 가능

 

디렉토리와 디스크 구조

- 1단계 디렉토리: 유일한 이름을 가짐, 서로 다른 사용자여도 같은 이름 사용 불가

- 2단계 디렉토리: 사용자별로 개별적인 디렉토리 존재

- 트리 구조 디렉토리: 비트를 활용하여 일반 파일과 디렉토리 파일 구분

- 그래프 구조 디렉토리: 순환이 발생하지 않도록 하위 디렉토리가 아닌 파일에 대한 링크만 허용하거나 가비지 컬렉션을 이용해 전체 파일 시스템을 순회하고 접근 가능한 모든 것을 표시

 

 

출처: https://gyoogle.dev/blog/interview/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C.html