본문내용
1. 운영체제 개요
1.1. 프로세스 상태 정의
프로세스는 다음과 같은 상태로 정의된다.
프로세스의 상태에는 "Ready", "Run", "Sleep" 등이 있다. "Ready" 상태란 프로세스가 CPU를 할당받아 실행될 준비가 된 상태이다. 프로세스는 이 "Ready" 상태에서 언제든 CPU에 의해 실행될 수 있다. "Run" 상태는 프로세스가 현재 CPU에 의해 실행되고 있음을 나타낸다. 프로세스는 주어진 시간 할당량(time slice)을 모두 소모할 때까지 또는 블로킹 함수를 호출할 때까지 "Run" 상태를 유지한다. "Sleep" 상태는 프로세스가 특정 이벤트를 기다리며 대기 중인 상태이다. 이벤트가 발생하면 프로세스는 "Ready" 상태로 전환된다.
프로세스는 생성 시 "Ready" 상태로 시작하며, CPU가 할당되면 "Run" 상태가 된다. 프로세스의 작업이 완료되거나 블로킹 함수를 호출하는 경우 "Sleep" 상태가 된다. 프로세스의 상태 전이는 시스템의 스케줄러에 의해 관리된다.""
1.2. 프로세스 상태 운영
프로세스 상태 운영은 운영체제에서 프로세스의 실행 상태를 관리하는 방법이다. 프로세스는 생성, 실행, 대기, 준비의 상태를 거치며 운영체제에 의해 관리된다.""
프로세스가 생성되면 준비(Ready) 상태가 되며, CPU가 현재 다른 프로세스를 실행하고 있지만 준비 상태의 프로세스는 CPU가 곧 자신을 실행해 줄 것이라고 기대하게 된다. 준비 상태의 프로세스는 Round Robin 방식으로 CPU 시간을 할당받아 실행(Run) 상태가 된다.""
실행 중인 프로세스가 CPU 시간 내에 종료되지 않으면 준비 상태로 전환되고, 키보드 입력 등의 이벤트가 발생하면 대기(Sleep) 상태로 전환된다. 대기 상태의 프로세스는 일정 시간이 지나면 준비 상태로 다시 전환된다.""
이와 같이 프로세스는 상태 전환을 반복하며 운영체제에 의해 효율적으로 관리된다. 이를 통해 프로세스가 정상적으로 실행되고 시스템 자원을 효율적으로 활용할 수 있다.""
1.3. CPU 시간 설정
CPU 시간 설정은 운영체제에서 중요한 역할을 한다. 운영체제는 CPU의 시간을 효과적으로 관리하고 배분함으로써 프로세스들이 적절한 시간 내에 실행되도록 해야 한다.
운영체제는 정해진 CPU 시간 내에 프로세스들이 자신의 작업을 완료할 수 있도록 관리해야 한다. 이를 위해 운영체제는 CPU 시간을 일정한 크기로 나누어 프로세스들에게 할당하는데, 이를 타임 슬라이스라고 한다. 타임 슬라이스는 프로세스가 CPU를 독점하지 못하게 하고 다른 프로세스에게도 CPU를 균등하게 분배할 수 있도록 한다.
예를 들어 운영체제가 CPU 시간을 5초 단위로 나누어 프로세스에게 할당한다고 가정해 보자. 그러면 하나의 프로세스는 5초 동안 CPU를 독점하게 되고, 그 시간이 지나면 다른 프로세스에게 CPU 시간이 넘어가게 된다. 이런 방식으로 CPU 시간을 프로세스들에게 배분함으로써 공평성과 효율성을 높일 수 있다.
한편, 프로세스가 자신에게 할당된 타임 슬라이스 내에 작업을 완료하지 못한 경우 운영체제는 그 프로세스를 ready 상태로 전환시키고 다른 프로세스에게 CPU 시간을 할당한다. 이렇게 함으로써 특정 프로세스가 CPU를 독점하는 것을 방지할 수 있다.
따라서 CPU 시간 설정은 운영체제가 공평성과 효율성을 유지하면서 프로세스들을 관리하는 데 핵심적인 역할을 한다고 볼 수 있다."
1.4. 프로세스 생성
프로세스 생성은 프로세스를 새로 만들어 실행하는 것을 말한다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 프로세스에게 고유한 프로세스 ID(PID)를 부여하며, 프로세스는 준비 상태(Ready)로 전이된다. ""프로세스는 fork()시스템 호출을 통해 생성되며, 이 때 자신의 이미지를 복사하여 새로운 프로세스를 만든다.""
프로세스가 fork()를 호출하면 운영체제는 프로세스의 메모리 공간을 복제하여 자식 프로세스를 생성한다. 자식 프로세스는 부모 프로세스와 완전히 독립적인 실행 단위이며, 별도의 프로세스 ID와 주소 공간을 가진다. 자식 프로세스는 부모 프로세스와 동일한 실행 코드, 데이터, 리소스를 사용하지만 부모 프로세스와는 별개로 실행된다.
fork()로 생성된 자식 프로세스는 부모 프로세스와 동일한 실행 환경을 갖지만, 실행 중에는 서로 독립적으로 동작한다. 자식 프로세스는 fork() 호출 이후 실행되는 코드에 따라 부모 프로세스와 다른 동작을 할 수 있다. 일반적으로 자식 프로세스는 부모 프로세스와 다른 작업을 수행하게 된다.
프로세스 생성 과정을 요약하면 다음과 같다:
1. 부모 프로세스가 fork()를 호출한다.
2. 운영체제는 부모 프로세스의 메모리 공간을 복제하여 자식 프로세스를 생성한다.
3. 자식 프로세스는 부모 프로세스와 동일한 실행 환경을 가지지만, 별도의 프로세스 ID와 주소 공간을 갖는다.
4. 자식 프로세스는 fork() 호출 이후 실행되는 코드에 따라 부모 프로세스와 다른 동작을 할 수 있다.
이처럼 fork()를 통해 프로세스를 생성하면 부모 프로세스와 자식 프로세스가 독립적으로 실행되어 다양한 작업을 수행할 수 있다. 이는 운영체제의 핵심 기능 중 하나이며, 프로세스 간 협력과 병렬 처리를 가능하게 한다.
1.5. 프로그램 구조
프로그램은 일반적으로 하나 이상의 함수(functions)를 가지며, 반드시 "main()" 함수가 존재해야 한다. "main()" 함수는 프로그램의 시작점이 되며, 프로그램의 실행이 이 함수에서 시작된다. 함수는 프로그램의 기능을 세분화하여 모듈화한 것으로, 프로그래밍의 핵심 단위이다. 함수는 호출되어 실행되며, 반환값을 가질 수 있다. 또한 함수는 입력 매개변수를 받아 처리할 수 있다. 이를 통해 프로그램의 기능을 독립적으로 구현하고 재사용할 수 있다.
C언어에서는 함수 정의 외에도 외부 변수(external variable)를 사용하여 다른 컴파일 단위의 함수와 변수를 참조할 수 있다. 이를 통해 분할 컴파일(separating compiling)이 가능하며, 하나의 실행 파일로 연결될 수 있다.
또한 C언어에는 전처리기(preprocessor)가 존재하는데, 이는 프로그램의 컴파일 전에 소스 코드를 변환하는 역할을 한다. 전처리기 지시문인 #define, #include 등을 통해 매크로 정의, 파일 포함, 조건부 컴파일 등의 기능을 제공한다. 이를 통해 프로그램의 이식성과 가독성을 높일 수 있다.
C언어는 동적 메모리 관리 기능을 제공하여, 프로그램 실행 중 필요에 따라 메모리를 할당하고 해제할 수 있다. malloc(), calloc(), realloc(), free() 함수 등을 통해 메모리 관리를 수행한다. 이를 통해 프로그램의 자원 활용도를 높일 수 있다.
전반적으로 C언어는 모듈화, 분할 컴파일, 전처리기, 동적 메모리 관리 등의 다양한 구조적 특징을 가지고 있어, 프로그램의 개발, 유지보수, 이식성 등에 효과적으로 활용될 수 있다"."
1.6. 프로세스 제어
프로세스 제어는 프로세스의 생성, 실행 및 종료 등을 관리하는 것으로, 운영체제가 프로세스를 제어하는 방법이다. 프로세스 제어의 주요 기능은 다음과 같다.
첫째, 프로세스 생성이다. 운영체제는 사용자나 다른 프로세스의 요구에 따라 새로운 프로세스를 생성한다. 새로운 프로세스가 생성되면 운영체제는 프로세스를 위한 주소 공간을 할당하고, 프로세스 제어 블록(PCB)을 생성한다.
둘째, 프로세스 실행 제어이다. 운영체제는 생성된 프로세스들을 스케줄링하여 CPU 시간을 할당한다. 각 프로세스는 CPU를 점유하여 실행되다가 일정 시간이 경과하거나 입출력 작업이 필요한 경우 실행이 중단되고, 다른 프로세스가 실행된다.
셋째, 프로세스 상태 관리이다. 프로세스는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료 등의 상태를 가지며, 운영체제는 각 프로세스의 상태를 관리한다. 프로세스의 상태 전이는 프로세스 간 경쟁, 동기화, 자원 할당 등의 정책에 따라 결정된다.
넷째, 프로세스 동기화 및 통신이다. 프로세스들 간에는 공유 자원의 사용, 작업 결과 전달 등을 위해 서로 협력해야 한다. 운영체제는 프로세스 간 동기화와 통신을 지원하는 메커니즘을 제공한다.
다섯째, 프로세스 종료이다. 프로세스는 정상적으로 종료되거나 비정상적으로 종료될 수 있다. 운영체제는 프로세스 종료 시 자원을 회수하고 정보를 기록한다.
이와 같이 운영체제는 프로세스의 생성, 실행, 종료 등 프로세스의 전 생애주기를 관리하며, 프로세스 간 상호작용을 지원한다. 이를 통해 시스템의 안정성, 효율성, 공정성 등을 보장한다."
1.7. 큐 자료구조
큐 자료구조란 선입선출(FIFO, First-In-First-Out)의 원리로 동작하는 자료구조이다. 큐에서는 요소를 뒤쪽(rear)에서 추가하고 앞쪽(front)에서 제거하여 처리한다.
큐에는 여러 가지 구현 방식이 있는데, 배열을 이용하는 것이 가장 일반적이다. 이 경우 큐의 크기를 미리 정해야 하며, 요소가 가득 차면 더 이상 추가할 수 없다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 연결 리스트를 이용한 큐 구현도 있다. 연결 리스트를 사용하면 큐의 크기를 동적으로 조절할 수 있다.
운영체제에서 큐는 매우 중요한 자료구조로 사용된다. 프로세스 스케줄링, I/O 이벤트 처리, 메모리 관리 등 다양한 영역에서 큐가 활용된다.
프로세스 스케줄링에서는 준비 상태(ready)의 프로세스들이 CPU를 할당받기 위해 큐에 대기한다. 운영체제는 이 큐를 관리하며 준비 상태의 프로세스에게 CPU 시간을 할당한다.
I/O 이벤트 처리 시에도 큐가 사용된다. 키보드 입력, 디스크 I/O 등의 이벤트가 발생하면 운영체제는 해당 프로세스를 준비 큐에서 제거하고 I/O 대기 큐에 넣는다. I/O 작업이 완료되면 프로세스는 다시 준비 큐로 이동한다.
메모리 관리 분야에서도 큐가 중요한데, 운영체제는 여유 메모리 공간을 관리하는 큐를 유지한다. 프로세스 생성 시 필요한 메모리를 할당받기 위해 이 큐를 참조한다.
요약하면, 큐는 운영체제의 핵심 자료구조로서 프로세스 스케줄링, I/O 이벤트 관리, 메모리 관리 등 다양한 영역에서 활용된다고 볼 수 있다."
1.8. 스케줄링 기법
스케줄링 기법은 프로세스의 효율적인 CPU 자원 활용을 위해 필수적이다. 여러 프로세스가 동시에 CPU 사용을 요구할 때, 운영체제는 각 프로세스의 우선순위와 시간적 요구사항 등을 고려하여 프로세스를 선택적으로 실행한다. 이를 통해 CPU 사용의 공평성 ...
