[1주차] 운영체제 개요 + 프로세스 & 스레드

• 컴퓨터 구성 요소
• 운영체제의 역할
• 커널(User Mode vs Kernel Mode)
• 프로세스의 구조
• 프로세스 vs 스레드
• 멀티프로세싱(Multiprocessing)
• 멀티스레딩(Multithreading)
• 컨텍스트 스위칭

---

🔵 컴퓨터 구성 요소: Top-Level View

컴퓨터 시스템은 CPU, 메모리, I/O 모듈이 System Bus 를 통해 연결되어 있으며, 운영체제는 이 자원들을 효율적으로 관리한다.

주요 구성 요소

1. CPU (Central Processing Unit)

• PC: 다음에 실행할 명령어의 주소
• IR: 현재 실행 중인 명령어
• MAR: 접근할 메모리 주소
• MBR: 메모리에서 읽거나 쓸 데이터
• I/O AR, I/O BR: 입출력 주소 및 버퍼
• Execution Unit: 실제 연산 수행

2. Main Memory

• 명령어와 데이터를 저장하는 공간
• 주소를 통해 위치 지정

3. I/O Module

• CPU와 장치 간 데이터 전달
• 버퍼로 속도 차 조절

4. System Bus

• 주소 버스, 데이터 버스, 제어 버스로 구성

---

🔵 운영체제의 역할

운영체제는 하드웨어 자원(CPU, 메모리, 파일 등)을 효율적이고 안정적으로 관리하는 시스템 소프트웨어이다. 주요 역할은 다음과 같다:

1. 프로세스 관리

운영체제는 여러 프로세스가 공정하게 CPU를 사용할 수 있도록 스케줄링하고, 상태를 추적하며, 컨텍스트 스위칭을 통해 프로세스를 전환한다.

프로세스 상태와 전이

• New: 생성 중
• Ready: 실행 준비 완료, 대기 중
• Running: 명령어 실행 중
• Blocked: 이벤트 대기 중
• Exit: 종료됨

상태 전이 예시

• Admit: New → Ready
• Dispatch: Ready → Running
• Timeout: Running → Ready
• Event Wait: Running → Blocked
• Event Occurs: Blocked → Ready
• Release: Running → Exit

PCB (Process Control Block)

운영체제는 각 프로세스를 추적하기 위해 PCB를 사용한다.
PCB는 다음 정보를 포함한다

항목	설명
Process State	현재 상태 (Ready, Running 등)
Process ID	고유한 식별자
Program Counter	다음 실행할 명령어 주소
CPU Registers	레지스터 값 저장
Memory Info	메모리 주소 범위 등
I/O Info	열려 있는 파일/디바이스 등

운영체제의 프로세스 관리 구조

운영체제는 단순히 PCB 하나로만 프로세스를 관리하는 것이 아니라,
메모리 / 입출력 / 파일 시스템에 대한 정보를 포함한 다양한 제어 테이블을 함께 사용한다.

위 그림은 OS가 내부적으로 유지하는 Control Tables 구조를 나타낸 것이다.

• Memory Tables: 각 프로세스가 사용하는 메모리 영역과 접근 권한 정보 저장
• I/O Tables: 어떤 장치를 어느 프로세스가 사용하는지 정보 기록
• File Tables: 열려 있는 파일, 파일 포인터, 접근 모드 등 저장
• Primary Process Table: 현재 실행 중인 모든 프로세스들의 PCB를 보관

이러한 구조는 링크드 리스트 형태로 구성되며,
운영체제가 동시에 실행 중인 프로세스를 효율적으로 관리하기 위해 사용된다.

각 프로세스는 독립된 Process Image를 가지고 있으며,
이는 코드, 데이터, 스택, PCB 정보를 포함한 프로세스의 전체 상태를 의미한다.

---

2. 메모리 관리

운영체제는 프로세스마다 메모리 공간을 분리하고 보호하며, 가상 메모리를 통해 더 큰 주소 공간을 제공한다.

• 주소 변환(MAR, MBR)
• 프로세스 간 메모리 보호
• 물리 메모리 ↔ 가상 메모리 관리

---

3. 파일 시스템 관리

운영체제는 파일 생성/삭제, 이름 지정, 접근 권한 등 파일 관련 기능을 제공한다.
파일 시스템은 디스크 상의 데이터에 대한 추상화 계층을 제공하며, 사용자가 파일을 디렉토리 구조로 관리할 수 있도록 한다.

---

🔵 커널(User Mode vs Kernel Mode)

커널이란?

• 커널은 운영체제의 핵심으로, 프로세스, 메모리, 파일, I/O 등의 자원을 직접 제어함
• 사용자 프로그램은 커널을 직접 조작할 수 없고, 시스템 콜(System Call) 을 통해 간접적으로 요청함

쉘(Shell)이란?

• 쉘은 사용자와 커널 사이의 인터페이스
• 사용자가 명령어를 입력하면, 쉘은 이를 시스템 콜로 번역해 커널에 전달함
• 크게 두 종류
  • Command-line Shell: bash, zsh 등
  • Graphical Shell: Windows Explorer, macOS Finder 등 GUI 기반

User Mode vs Kernel Mode

구분	User Mode	Kernel Mode
권한 수준	제한적	모든 하드웨어 자원 접근 가능
코드 실행	사용자 애플리케이션	운영체제 커널 코드
예시	일반 앱, 프로세스	시스템 콜 처리, 드라이버 실행 등
전환 방법	시스템 콜 (trap), 인터럽트 등	사용자 프로그램에 제어 반환 (return)

사용자 프로그램이 시스템 자원을 사용하려면 커널 모드로 전환이 필요함

커널의 주요 역할

커널은 항상 메모리에 상주하는 운영체제의 핵심이 되는 부분입니다. 컴퓨터 자원을 관리하는 자원 관리자로서 대표적으로 다음 4가지 기능을 가지고 있다. 커널은 사용자가 물리적인 하드웨어에 접근하고 사용할 수 있도록 하기 위한 목적을 가지고 있고, 사용자가 쉘(Shell)을 통해 입력한 명령어를 해석하여 하드웨어에 전달해주는 역할을 한다.

1. 메모리 관리

   각 프로그램이 어디에서, 무엇을, 얼마나 사용하는지를 추적하고. 메모리 자원을 할당하는 역할을 한다. 가상 메모리를 사용할 수 있도록 한다.

2. 프로세스 관리 및 CPU 스케쥴링

   사용자가 시스템에 로그인 함과 동시에 수많은 프로세스가 실행되는데, 커널은 CPU의 시간 자원을 배분하는 역할 - 어떤 프로세스가 언제, 얼마나 사용할지 - 을 하여 여러 개의 프로세스가 동시에 동작하는 것처럼 보이게 합니다.

3. 디바이스 관리

   컴퓨터에 연결된 장치들을 드라이버라는 매개체를 통해서 제어하고 관리한다.

4. 시스템 콜 인터페이스 및 보안

   시스템 콜을 제공하여 응용 프로그램 - 프로세스의 서비스 요청을 수신한다.

커널 구조 유형

구조	특징	예시 운영체제
모놀리식 커널	모든 기능이 하나의 커널 내에 포함	Linux, Unix
마이크로커널	최소 기능만 커널에, 나머지는 사용자 공간	Minix, QNX
하이브리드	두 구조의 장점을 절충	Windows, macOS

시스템 콜 예시

• fork() : 새로운 프로세스 생성
• exec() : 다른 프로그램 실행
• read(), write() : 파일 I/O
• kill() : 프로세스 종료 요청

---

🔵 프로세스의 구조

프로세스 vs 프로그램

• 프로그램: 하드디스크에 저장된 정적인 명령어 집합
• 프로세스: 실행 중인 프로그램, 메모리에 적재된 상태

하나의 컴퓨터에서 여러 프로세스가 동시에 실행될 수 있으며, 각 프로세스는 자신만의 코드, 데이터, 스택, 레지스터를 가진다.

프로세스는 메모리에 다음과 같은 형태로 구성된다. 이를 프로세스 이미지 (Process Image) 라고 하며, 운영체제는 이 전체 상태를 관리한다.

영역	설명
PCB	프로세스의 상태를 저장하는 커널 영역
Text(Code)	실행할 프로그램의 명령어 (코드 영역) → Private User Address Space 내부에 포함됨
Data	전역 변수(static 변수 포함) 저장 → Private User Address Space 내부에 포함됨
Heap	동적으로 할당되는 메모리 영역 (e.g., malloc) → Private User Address Space 내부에 포함됨
Stack	함수 호출 시 지역 변수, 리턴 주소 등이 저장되는 영역 → User Stack과 Kenel Stack 두 부분으로 나뉨

운영체제는 이 정보를 기반으로 프로세스를 메모리에 적재하고, 필요한 시점에 스케줄링/복원/삭제 등을 수행한다.

---

🔵 프로세스 vs 스레드

프로세스(Process)

• 자원 소유의 단위 (Unit of Resource Ownership)
• 스케줄링/실행의 단위 (Unit of Execution)
• 하나의 프로세스는 고유한 코드, 데이터, 스택, PCB를 가진다.
• 운영체제는 각 프로세스를 독립적으로 관리한다.

스레드(Thread)

• 실행의 단위만 분리됨 (Dispatching Unit)
• 자원은 프로세스와 공유, 스택은 스레드마다 개별
• 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드가 생성되어 실행될 수 있음

즉, 자원은 프로세스 단위로 소유, 실행은 스레드 단위로 분화됨

프로세스 vs 스레드 비교

항목	프로세스	스레드
자원 소유	독립적으로 가짐	동일 프로세스 내 자원 공유
실행 단위	독립적인 실행 흐름	프로세스 내의 실행 흐름
메모리 공간	각각 독립적	코드/데이터 영역은 공유, 스택만 개별
문맥 교환 비용	크다	작다
생성/종료 오버헤드	큼	작음
안정성	하나가 죽어도 다른 프로세스 영향 없음	하나가 죽으면 전체 프로세스 영향 가능

스레드의 장점과 단점

장점

• 자원 공유로 문맥 교환 비용이 작음
• 빠른 통신 및 협업 가능 (shared memory)
• 병렬 처리를 통해 멀티코어 활용 효율적

단점

• 동기화 문제(Race condition) 발생 가능
• 하나의 스레드 오류로 전체 프로세스가 중단될 수 있음
• 디버깅과 유지보수가 복잡함

---

🔵 멀티프로세싱(Multiprocessing)

• 여러 개의 프로세스를 생성하여 동시에 실행하는 방식
• 각 프로세스는 독립적인 주소 공간과 자원을 가짐
• 일반적으로 멀티코어 CPU에서 병렬 처리를 위해 사용됨

하나의 CPU에서 멀티프로세싱을 할 경우는 시분할 방식(time sharing),
멀티코어 CPU에서는 진짜 동시 실행(parallel execution)이 가능

---

🔵 멀티스레딩(Multithreading)

정의

• 하나의 프로세스 내에서 여러 실행 흐름(스레드) 을 가지는 것
• 각 스레드는 독립적인 실행 스택을 가지지만, 공통 주소 공간을 공유함

운영체제별 스레드 지원 방식

운영체제	설명
MS-DOS	하나의 프로세스에 하나의 스레드만 지원
UNIX (old)	여러 프로세스는 가능, 하지만 프로세스당 1스레드
Modern UNIX 계열	하나의 프로세스에서 여러 스레드 지원 (ex. Linux, Solaris 등)

스레드의 구조

하나의 스레드는 다음 정보를 가짐

• Execution State: running, ready 등
• Thread Context: 스레드 실행 시 CPU 레지스터 저장
• Execution Stack: 지역 변수 저장
• Static Storage for Local Variables
• Memory/Resource 접근: 같은 프로세스의 스레드끼리는 공유

즉, 프로그램 코드/데이터는 공유하고, 스택과 context는 개별

멀티프로세싱 vs 멀티스레딩

항목	멀티프로세싱	멀티스레딩
실행 단위	여러 프로세스	하나의 프로세스 내 여러 스레드
주소 공간	각각 독립	공유됨
메모리 사용량	크다	상대적으로 작다
문맥 교환 비용	크다	작다
통신 방식	IPC (Pipe, Socket 등)	공유 메모리
안정성	하나가 죽어도 나머지 영향 없음	하나가 죽으면 전체 프로세스 위험

---

• 멀티프로세싱 예시: 웹 서버에서 여러 클라이언트를 처리할 때, 아예 독립된 서버 인스턴스를 띄우는 방식
• 멀티스레딩 예시: 게임 프로그램에서 그래픽 처리, 사운드, 물리 엔진을 각각 스레드로 처리

싱글 스레드 vs 멀티 스레드 모델

• Single Threaded Process
  • PCB + User Stack + Kernel Stack + User Address Space
• Multithreaded Process
  • 하나의 PCB + 여러 TCB + 각 스레드별 스택
  • 코드/데이터/주소 공간은 공유됨

멀티스레드 프로세스는 PCB + TCB1 + TCB2 + ... 의 형태로 관리됨

---

🔵 컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭이란

CPU가 하나의 프로세스/스레드 실행을 중단하고, 다른 프로세스/스레드로 전환할 때의 작업 전체

이 과정에서 이전 작업의 상태(context)를 저장하고, 다음 작업의 상태를 복원하는 작업이 수행됨

컨텍스트 스위칭이 필요한 이유

• 멀티태스킹: 여러 작업을 동시에 실행하는 것처럼 보이게 하기 위해

• 시분할 시스템: 각 프로세스에 CPU 시간을 분배하기 위해

• 인터럽트 처리: I/O 이벤트가 발생하면 다른 프로세스로 전환

• 우선순위 변경: 더 중요한 프로세스를 우선 실행하기 위해

프로세스 컨텍스트 스위칭 과정

1.	현재 실행 중인 프로세스(p0)에 인터럽트 or 시스템 콜 발생
2.	운영체제가 p0의 실행 상태를 PCB0에 저장
3.	스케줄러가 다음 실행할 프로세스(p1)를 선택
4.	p1의 실행 상태를 PCB1에서 복원
5.	CPU 제어권을 p1에게 넘김 → p1 실행 시작

이후에도 p1이 인터럽트를 받으면 다시 p0 등으로 전환될 수 있음

컨텍스트 스위칭 시 저장되는 정보

• 프로그램 카운터 (PC)
• 레지스터 값 (R0~Rn)
• 스택 포인터 (SP)
• 프로세스 상태
• 메모리 관련 정보 (페이지 테이블 등)

컨텍스트 스위칭의 오버헤드

• 문맥 전환에는 시간과 자원이 소모됨
• 빈번한 스위칭은 오히려 성능 저하를 유발할 수 있음
• 스케줄링 알고리즘이 이를 효율적으로 조절해야 함

따라서, 운영체제는 스케줄링 알고리즘을 통해 스위칭 빈도와 시점을 최적화하려고 함