운영체제 2024.7.4

11. 멀티 쓰레드 환경에서의 주의점

• 동기화를 주의해야한다
  • 한 프로세스내에서는 쓰레드끼리 공유 자원을 가진다.
  • 서로 다른 쓰레드가 공유 자원에 접근할 경우 값의 오류가 발생할 수 있다.
  • 따라서 쓰레드들은 공유 자원에 대한 동기화가 필요하다

※ 쓰레드 동기화

• 한 쓰레드가 공유 자원을 쓰고 있으면, 다른 쓰레드가 접근할 수 없게 막는다.
• 예시
  • 계좌에 1만원이있다.
  • a, b는 동시에 만 원, 만 원을 가져갔다.
  • 계좌는 -1만원이 된다.

동기, 비동기, 블로킹, 논블로킹 차이

https://www.youtube.com/watch?v=oEIoqGd-Sns

https://velog.io/@nittre/블로킹-Vs.-논블로킹-동기-Vs.-비동기

12. 동기, 비동기

• 동기, 비동기는 결과의 유무를 따진다.
• 동기(Synchronous)
  • 요청의 결과가 나오면 다음 요청 수행
  • 예시
    • A는 B 작업을 요청한다
    • A는 B의 작업 결과를 가지고 A 작업을 마저 수행한다.
• 비동기
  • 요청의 완료를 기다리지 않고 다음 요청 수행
  • 예시
    • A는 B에게 작업을 요청한다
    • A는 B 작업의 결과를 신경쓰지 않고 계속 자신의 작업을 한다.

13. 블로킹, 논블로킹

• 블로킹, 논블로킹은 제어권의 여부를 따진다.
  • 제어권 : 제어권을 가질 경우만 해당 작업이 수행가능
• 블로킹
  • 제어권을 빼앗기기 가능
  • 예시
    • A는 B에게 작업을 요청한다
    • A는 제어권 삭제(A는 작업을 하지 못하는 상태가 됨)
    • B는 제어권 획득(B는 작업을 할 수 있는 권한을 얻음)
    • B 함수가 완료되면 A에게 제어권을 넘김
    • A는 제어권을 받았으므로 작업을 수행 가능해짐
• 논블로킹
  • 제어권을 빼앗기지 않음
  • 예시
    • A는 B에게 작업을 요청한다.
    • A는 제어권을 보장받는다. 따라서 B에게 제어권을 주지 않는다.
    • A는 계속 실행가능하다.
    • QnA) B는 어디서 제어권을 받는가?
      • ex) 스케줄러 등에서 받게됨

※동기, 블로킹 개념의 차이

• 동기, 비동기는 결과의 유무를 따진다.
• 블로킹, 논블로킹은 제어권의 유무를 따진다.

14. 프로세스의 종류

• 자식 프로세스
  • 부모 프로세스의 복제품
  • 부모 프로세스에서 fork()함수로 탄생
  • 부모의 데이터, 힙, 스택을 복사 받음
  • PCB는 부모, 자식이 서로 다름(프로세스 식별자(PID)가 서로 다름)
• 데몬 프로세스
  • 백그라운드에서 실행되는 프로세스
  • 사용자와 상호작용 불가
• 백그라운드 프로세스
  • 백그라운드에서 실행되는 프로세스
  • 사용자와 상호작용 가능(터미널 사용)
• 고아 프로세스
  • 부모 프로세스가 먼저 종료되어 고립된 프로세스
  • 설명
    • 부모 프로세스는 자식 프로세스가 종료될 때, 자식 프로세스의 자원을 받는다
      • 자원 : 종료 상태, PID 등
    • 부모가 먼저 종료될 시, 자식 프로세스의 자원을 보낼 곳이 없다
  • 문제점
    • 자식 프로세스가 종료되지 않을 수 있다.
    • 자식 프로세스의 종료 후에, 사용하던 자원이 그대로 남을 수 있다.
• 좀비 프로세스
  • 부모 프로세스에세 종료 승인을 못받은 자식 프로세스
    • 부모 프로세스는 자식 프로세스가 종료 될 시, 자식의 데이터, PID를 운영체제에 반환
    • 자식이 종료 승인을 받지 못하면 PID만 살아있는 상태가 된다.
    • (좀비 프로세스는 실행 자체는 종료된 상태다.)
    • 남아있는 PID는 다른 프로세스의 실행을 방해할 수 있다.

※백그라운드 : 사용자가 접하기 힘든 작업 공간

ex) 서버 관련 작업

15. Race Condition, Critical Section의 의미. 그리고 경쟁상태를 막기위해서는?

• Race Condition(경쟁 상태)
  • 여러 개의 프로세스(or 쓰레드)가 공유 자원에 접근 시, 실행 순서에 따라 결과값이 바뀔 수 있는 현상
• Ciritical Section(임계 영역)
  • Race Condition이 일어날 수 있는 공유 자원 영역을 뜻함.
• 해결 방법
  • 뮤택스
    • 공유 자원에 1개의 쓰레드 or 프로세스만 접근하게함
    • 공유 자원에 접근할 수 있는 Key를 만든다
      • 예시
        • A쓰레드는 Key를 받아서 공유자원에 접근
        • B쓰레드는 Key가 없어서 공유자원 접근 불가
        • A쓰레드는 작업을 끝낸 후, Key반환
        • B쓰레드는 Key를 얻고 공유자원에 접근
  • 세마포어
    • 공유 자원에 접근할 수 있는 쓰레드, 프로세스의 수를 나타낸다
      • 예시
        • A쓰레드는 공유자원에 접근을 시도
        • 공유자원에 접근 가능한 쓰레드의 개수가 남아있음
        • A쓰레드는 공유자원에 접근
        • 공유자원의 접근 가능 스레드 개수가 1개 차감
• 임계 구역 해결 조건
  • 상호 배제
    • 임계구역에는 1개의 프로세스만 있어야한다
  • 한정 대기
    • 어떤 프로세스도 무한 대기하면 안된다.
  • 진행의 융통성
    • 한 프로세스가 다른 프로세스의 진행을 막으면 안된다
      • 예시)
        • A가 임계구역을 예약으로 잡고 쓰고있지 않다.
        • ⇒ 다른 프로세스는 임계구역을 쓸 수 없는 비효율적인 상황 발생

16. DeadLock이란? 해결 방법은?

• DeadLock(교착 상태)
  • 여러 프로세스 또는 쓰레드가 서로의 자원을 기다리면서 무한히 대기하는 상태
• 해결 방법
  • 예방
    • 교착 상태를 유발하는 네 가지 조건을 1개 이상 무력화
  • 회피
    • 교착 상태가 발생하지 않는 정도로 자원 할당
  • 검출과 회복
    • 검출
      • 자원 할당 그래프를 사용하여 교착 상태를 찾음
    • 회복
      • 모든 프로세스 동시 종료
        • 교착상태에 있는 프로세스들 동시에 종료
      • 하나씩 순서대로 종료
        • 우선순위가 낮거나, 작업 시간이 짧은 순서대로 프로세스 종료
• 교착 상태를 유발하는 4가지 조건(1개만 없애도 교착상태 해결)
  • 상호배재
    • 한 자원에 여러 프로세스가 접근할 수 없다.
  • 비선점
    • 사용중인 자원을 다른 프로세스가 빼앗을 수 없다.
  • 점유와 대기
    • 하나의 자원을 소유한 상태에서 다른 자원을 기다린다.
  • 원형 대기
    • 각 프로세스가 원하는 자원은 원형으로 다음 프로세스가 가지고 있다.

17. 식사하는 철학자 문제가 있다. DeadLock은 언제 발생하는가? 해결 방법은?

• 식사하는 철학자
  • 조건
    • 스파게티를 먹어야한다.
    • 스파게티를 먹으려면 포크 2개를 들어야한다.
    • 식사를 마치면 포크 2개를 내려놓는다.
    • 서로 소통은 불가하다.
• DeadLock이 발생하는 시기
  • 5명 모두 오른쪽 포크를 든다.
  • 왼쪽의 포크를 계속 기다린다. ⇒ 교착 상태
• 해결 방법
  • 세마포어
    • 식탁에 입장 제한 수를 둔다.
      • ex)
        • 최대 4명으로 식탁 인원을 제한한다.
        • 여분의 포크가 1개 남는다.
        • 따라서 교착 상태가 해결된다.

18. 뮤텍스, 세마포어 설명

• 뮤택스
  • 공유 자원에 1개의 쓰레드 or 프로세스만 접근하게함
  • 공유 자원에 접근할 수 있는 Key를 만든다
    • 예시
      • A쓰레드는 Key를 받아서 공유자원에 접근
      • B쓰레드는 Key가 없어서 공유자원 접근 불가
      • A쓰레드는 작업을 끝낸 후, Key반환
      • B쓰레드는 Key를 얻고 공유자원에 접근
• 세마포어
  • 공유 자원에 접근할 수 있는 쓰레드, 프로세스의 수를 나타내게 함
    • 예시
      • A쓰레드는 공유자원에 접근을 시도
      • 공유자원에 접근 가능한 쓰레드의 개수가 남아있음
      • A쓰레드는 공유자원에 접근
      • 공유자원의 접근 가능 스레드 개수가 1개 차감
  • 세마포어 종류
    • 이진 세마포어
      • 0 or 1 값(1개의 프로세스 or 쓰레드만 공유자원에 접근 가능)
    • 카운팅 세마포어
      • 2 이상의 값(여러개의 프로세스 or 쓰레드가 공유자원에 접근 가능)

19. CPU 스케쥴링의 의미와 종류

• 의미
  • ready queue에 있는 프로세스 중에서 어떤 프로세스에 CPU를 배정할지 정하는 것
• 종류
  • 선점형
    • 의미 : 프로세스가 CPU를 할당받았을 때, 운영체제가 CPU를 강제로 빼앗을 수 있는 방식
    • 종류
      • Round Robin(RR)
        • 프로세스마다 동일한 시간 할당량 부여
        • 시간 할당량을 다 쓴 프로세스는 ready queue의 맨 뒤로 보냄
      • Shortest Remaining Time First (SRTF)
        • CPU 점유시간이 짧은 프로세스부터 CPU 할당
        • 기아 문제 유발
      • Multilevel Feedback Queue(다중 레벨 피드백 큐)
        • 단계별로 큐를 만듦
        • 할당량을 다 쓴 프로세스는 다음 단계의 큐로 보냄
        • 단계가 클수록 할당량도 커짐
  • 비선점형
    • 의미 : 프로세스가 CPU를 할당받았을 때, 다른 프로세스가 CPU를 빼앗을 수 없는 방식
    • 종류
      • First Come First Served(FCFS)
        • 큐에 도착한 순서대로 CPU 할당
      • Shortest Job First (SJF)
        • CPU 점유시간이 짧은 프로세스부터 CPU 할당
        • 기아 문제 유발
      • Highest Response Ratio Next
        • 프로세스의 우선순위를 (대기시간 / 서비스 받는 시간)으로 부여

※ ready queue : 메인 메모리에 상주하면서 실행될 준비를 하고 기다리는 프로세스 집합

20. CPU 스케쥴링의 성능 척도에는 무엇이 있는가?

• 이용률
  • CPU가 놀지 않고 일한 시간
• 처리량
  • CPU의 단위 시간당 처리량
• 소요시간, 반환시간
  • 프로세스가 생성되고 종료될때까지 걸린 시간
  • 해당 프로세스의 대기 시간 + cpu 수행 시간 + 입출력 시간
• 대기시간
  • Ready Queue에서 해당 프로세스가 기다린 총 시간
  • (cpu에서 실행되다가 ready queue로 돌아가서 다시 기다린 시간도 포함)
• 응답시간
  • Ready Queue에서 해당 프로세스가 처음으로 CPU와 만나기까지 걸린 시간