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1. 운영체제의 개념 이해

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운영체제란?

• 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고, 프로그램이 올바르게 실행되도록 돕는 소프트웨어

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  자원(resource) : 컴퓨팅 시스템 내에서 사용할 수 있는 요소, 프로그램 실행에 필요한 요소

  예시 ) CPU, 메모리, 보조기억장치, 입출력 장치 등과 같은 컴퓨터 부품

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• 운영체제도 프로그램의 한 종류로 메모리에 적재되어야 함.

  → 메모리의 커널 영역에 적재되어 사용자 영역에 적재된 프로그램에 자원을 할당하고 올바르게 실행되도록 도움.

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  출처 : https://code-piggy.tistory.com/entry/운영체제

  커널 영역(kernel space) : 항상 컴퓨터가 부팅될 때 메모리 내에 따로 적재되어 실행되는 공간이다. 커널은 운영체제의 핵심 부분으로 시스템의 핵심 기능과 자원을 관리한다.

  (운영체제를 실행하기 위해 필요한 메모리 공간)

  사용자 영역(user space) : 커널 영역을 제외한 나머지 영역으로 사용자가 이용하는 응용 프로그램이 적재되는 영역을 사용자 영역이라고 한다.

  (사용자가 이용하는 응용 프로그램이 적재되는 영역)

  응용 프로그램 : 사용자가 특정 목적을 위해 사용하는 일반적인 프로그램

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• CPU가 명령어를 실행하는 모드 : 사용자 모드, 커널 모드 (슈퍼바이저 플래그)

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  사용자 모드 : 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드

  • 사용자 모드로 실행되는 일반적인 응용 프로그램은 자원에 접근할 수 없음

  (운영체제를 실행하기 위해 필요한 메모리 공간)

  커널 모드 : 운영체제 서비스를 제공 받을 수 있는 실행 모드

  • 커널 영역의 코드 실행

  (사용자가 이용하는 응용 프로그램이 적재되는 영역)

  

  출처 : https://hongong.hanbit.co.kr/운영체제란-커널의-개념-응용-프로그램-실행을-위한/

  시스템 호출(system call) : 운영체제 서비스를 제공받기 위해서 운영체제에게 요청하는 것

  • 사용자 모드로 실행되는 프로그램은 시스템 호출을 통해 커널 모드로 전환하여 운영체제 서비스를 제공 받을 수 있다.

  • 프로세스 관리, 파일 관리, 디렉터리 관리, 파일 시스템 관리

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2. 운영체제의 핵심 서비스 설명

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• 프로세스 관리

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  프로세스(process) : 실행 중인 프로그램

  • CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있음

  → 여러 프로그램을 동시에 원활하게 사용할 수 있도록 프로세스를 조금씩 번갈아가며 실행함.

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• 자원 접근 및 할당

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  • 프로세스가 공정하게 CPU를 사용할 수 있도록 CPU 사용 방법을 결정 (스케줄링)

  • 프로세스를 메모리에 적재할 위치를 결정

  • 입출력 장치가 발생시키는 하드웨어 인터럽트 처리

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• 파일 시스템 관리

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  • 디스크 등의 보조 기억 장치를 사용자가 편리하고 직관적으로 사용할 수 있도록 파일과 디렉터리 개념으로 관리

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3. 프로세스 이해

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• 프로그램이 실행되기 전 : 보조기억장치에 있는 데이터
• 보조기억장치에 저장된 프로그램을 메모리에 적재하고 실행하는 순간 그 프로그램은 프로세스(process)

  • 스레드(Thread)

    • 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기에는 메모리의 낭비가 발생한다.

    • 스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간 메모리를 공유하며 작동한다.

    • 즉, 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위이다.

    • 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가지고 있다.

  • 프로세스 제어 블록 (PCB)

    • 프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료 구조

    • 해당 프로세스를 식별하기 위해 꼭 필요한 정보들이 저장됨

    • 메모리의 커널영역에 생성됨

  • 문맥교환 (Context Switching)

    • CPU의 자원은 한정되어 있음 → 프로세스들은 모두 CPU를 원하고 있음 → CPU를 돌아가면서 사용하게 됨

    • 하나의 프로세스가 실행되고 있다가 다른 프로세스로 실행 순서가 넘어가면 기존에 실행되던 프로세스는 지금까지 실행된 중간 정보를 백업(프로그램 카운터, 레지스터 값, 메모리 정보 등)

    → 이러한 중간 정보를 **문맥(context)**이라함.

    • 문맥(context) : 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보

    • 문맥교환 (Context Switching) : 기존 프로세스의 문맥을 PCB에 백업하고 새로운 프로세스를 실행하기 위해 문맥을 PCB로부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것

  • 프로세스의 메모리 영역

    • 하나의 프로세스는 메모리의 사용자 영역에 스택 영역, 힙 영역, 데이터 영역, 코드 영역 등으로 나뉘어 저장됨.

    • 메모리

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      커널 영역

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      스택 영역

      • 데이터를 일시적으로 저장하는 공간임 (ex. 매개변수, 지역변수)

      • 일시적으로 저장할 데이터는 스택영역에 PUSH

      • 더 이상 필요하지 않은 데이터는 POP

      ---

      힙 영역

      • 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간임

      • 메모리 공간을 반환하는 과정이 필요함

      (반환하지 않을 경우 메모리 누수(낭비) 발생)

      ---

      데이터 영역

      • 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간임 (ex. 전역변수)

      ---

      코드 영역 (텍스트 영역)

      • 기계어로 이루어진 명령어가 저장함

      • CPU가 실행할 명령어가 담겨있기 때문에 읽기 전용 공간임

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      힙 영역과 스택 영역은 실시간으로 크기가 변할 수 있기 때문에 → 동적 할당 영역

      힙 영역은 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소로 할당

      스택 영역은 높은 주소에서 낮은 주소로 할당

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프로세스 상태

• 하나의 프로세스는 여러 상태를 거치며 실행됨
• 운영체제는 프로세스의 상태를 PCB를 통해 인식, 관리함