신입 개발자 기술면접 : 운영체제

🗣️ 신입 인터뷰/운영체제

신입 개발자 기술면접 : 운영체제

쫀냠 2023. 12. 17. 19:44

🔮 운영체제란 무엇인가요?

운영체제란 하드웨어 위에 설치되어 하드웨어 계층과 다른 소프트웨어 계층을 연결하는 소프트웨어입니다. 컴퓨터 시스템의 자원 (예를 들어 CPU 시간, 운영되기 위해 필요한 주소 공간, 코드 데이터 스택 힙의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역 등) 을 관리하고, 사용자가 컴퓨터를 사용할 수 있는 환경을 제공합니다.

🔮 시스템 콜이란 무엇인가요?

시스템 콜이란 커널 모드와 사용자 모드 간에 필요한 정보를 주고받기 위해 호출하는 함수입니다. OS는 사용자가 하드웨어의 주요 자원에 쉽게 접근할 수 없게 커널 모드와 사용자 모드로 구분합니다. 그래서 프로세스에서 자원에 접근해 작업을 처리해야 할 때는 시스템 콜로 필요한 요청을 하고 그에 대한 결과 값을 돌려받게 됩니다.

대표적인 예로는 프로세스를 생성하는 `fork()`, 부모 프로세스가 자식 프로세스의 수행을 기다리는 `wait()`등이 있습니다.

🔮 CPU와 메모리 구조를 설명해 주세요.

CPU는 "컴퓨터의 뇌" 역할을 하며, 컴퓨터에서 프로그램을 실행하는 데 필요한 연산을 처리하고 수행합니다. 다른 말로 프로세서라고도 합니다.

메모리는 데이터를 저장하기 위한 기억장치로, 휘발성 메모리인 주 기억장치 (RAM), 비휘발성 메모리인 보조 기억장치(SSD, HDD) 가 있습니다. 여기서 휘발성이란 전원 공급이 중단되면 저장된 정보가 없어지는 성질을 뜻합니다. 메모리는 CPU에서 빨리 접근할 수 있도록, 계층 구조를 띄는데요.CPU에서 가깝고 속도가 빠른 순서대로 레지스터, 캐시, RAM, 하드 디스크 의 구조로 나뉩니다.

레지스터는 CPU 내부에,

캐시는 CPU 와 RAM 사이의 속도 차이를 해결하기 위한 기억장치로 CPU 내부에 있습니다.

🔮 커널이란 무엇인가요?

커널은 메모리에 상주하는 운영체제의 핵심 부분이라고 할 수 있습니다.

기본적으로 프로그램이 실행되기 위해서는 주기억장치에 적재된 상태여야 합니다. 운영체제 역시 프로그램이기 때문에 메인 메모리에 적재가 되어야 하지만, OS의 크기가 너무 커서 전체를 다 메인 메모리에 올리게 된다면 비효율적입니다. (메모리 공간의 낭비)

따라서 커널 (kernel) 이라고 하는, 항상 필요한 운영체제의 핵심 부분만을 메인 메모리에 적재하여 OS를 사용하게끔 합니다.

🔮 실행파일의 생성 과정을 말씀해주세요.

실행 파일 생성 과정은 소스 코드가 실행 가능한 바이너리 파일로 변환되는 단계를 포함합니다.

소스 코드 작성: 프로그램은 개발자에 의해 소스 코드로 작성됩니다. 이 코드는 C, C++, Java 등의 고수준 프로그래밍 언어로 작성될 수 있습니다.
전처리 (Preprocessing): 전처리기는 소스 코드에서 지시자(#include, #define 등)를 처리합니다. 예를 들어, C/C++에서 #include 지시자는 해당 헤더 파일의 내용을 소스 파일에 포함시키는 역할을 합니다.
컴파일 (Compilation): 컴파일러는 전처리된 소스 코드를 기계어로 변환합니다. 이 단계의 결과물은 오브젝트 파일입니다. 오브젝트 파일은 플랫폼에 특화된 기계어 코드를 담고 있으며, .obj, .o 등의 확장자를 가질 수 있습니다.
링킹 (Linking): 링커는 여러 오브젝트 파일과 필요한 라이브러리들을 하나의 실행 파일로 결합합니다. 이 과정에서 각 파일 내의 심볼(함수, 변수 등) 참조가 해결됩니다. 최종적으로 실행 가능한 파일(예: .exe 또는 .out)이 생성됩니다.
실행 파일 생성: 링킹 단계를 거쳐 최종적으로 실행 가능한 바이너리 파일이 생성됩니다. 이 파일은 운영체제에서 직접 실행될 수 있으며, 모든 필요한 코드와 데이터를 포함합니다.

🔮 프로그램 실행 과정을 말씀해주세요.

로패디실

프로그램을 실행하면, OS가 디스크에 있는 프로그램을 메모리로 LOAD 합니다.

(1) 로딩 : 실행 파일이 하드 드라이브에서 메인 메모리로 로드됩니다.

(2) 패치 : 메모리에 로딩된 명령어들이 CPU 레지스터로 옮겨집니다.

(3) 디코딩 : CPU 제어장치에서 명령어들을 해석해주는 단계입니다.

(4) 실행 : CPU ALU (산술 논리 장치) 에서 디코딩된 연산자들을 실행해주는 단계 입니다.

이 중에서 CPU 명령어 사이클을 패치, 디코딩, 실행 세 단계입니다.

🔮 CPU 캐시란 무엇인가요?

CPU 는 메모리와 통신하고, 메모리는 하드 드라이브와 통신합니다. 캐시는 CPU에서 메모리까지의 접근을 줄이기 위해, 즉 CPU와 메모리 간 속도 차이를 좁히려고 사용하는 CPU 내부의 작은 메모리인데요. 캐시의 크기는 메인 메모리보다 작기 때문에 앞으로 사용될 것으로 예상되는 데이터를 미리 저장하는 것이 중요한 포인트입니다. 캐시 적중률 (캐시 히트율) 을 높이기 위해 시간지역성이나 공간지역성 같은 지역성의 원리를 이용하게 됩니다. 지역성의 원리는 한 번 사용한 데이터는 다시 혹은 주변의 데이터가 사용될 가능성이 높습니다.

🔮 지역성의 원리가 무엇인가요?

한 번 사용한 데이터는 다시 사용할 가능성이 높다는 원리입니다.

시간 지역성 : 최근 참조된 건 다시 참조될 가능성이 높다는 것이며 (예: 반복문)
공간 지역성 : 한 번 참조된 건 주변 데이터도 참조될 가능성이 높다는 의미입니다. (예: 배열)

🔮 캐시라인이 무엇인가요?

CPU가 메모리에서 데이터를 가져올 때 하나의 바이트 단위로 가져오는 게 아닌, 캐시라인의 크기로 가져오는 크기를 말합니다. 공간지역성을 활용해서 CPU에서 메모리 접근 횟수를 줄여서 성능을 높이기 위해 사용합니다.

🔮 메모리 (RAM) 구조 (또는 프로세스의 구조) 를 설명해주세요.

크게 4가지로 나눌 수 있는데요. Code, Data, Stack, Heap 영역이 있습니다.

Code 영역에는 실행할 코드가 기계어로 컴파일되어 저장됩니다. Text 영역이라고도 부르며, CPU는 해당 코드 영역에 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리하게 됩니다.

Data 영역에는 전역변수와 정적변수, 배열, 구조체 등이 저장됩니다. 데이터 영역은 세부적으로 BSS(Block Stated Symbol) 영역과 데이터 영역으로 다시 나눌 수 있습니다. BSS 영역은 초기화하지 않은 변수를, 데이터 영역은 초기화한 변수를 저장합니다. (이렇게 BSS 영역을 사용함으로써, 초기화되지 않은 변수들이 실행 파일에 별도의 공간을 차지하지 않게 하여 메모리 사용을 최적화합니다.) Static 영역이라고도 부르며, 프로그램이 시작하는 동시에 실행되고 종료 시 소멸됩니다.

Heap 영역은 사용자가 직접 관리하는 영역으로 런타임에 데이터가 동적 할당되는 영역입니다. 낮은 주소 값에서 높은 주소 값으로 메모리가 할당되며, 영역 크기는 런타임 때 결정됩니다. C 언어의 malloc 함수, C++언어의 new 키워드가 동적할당을 하는 예시입니다.

마지막으로 Stack 영역에는 함수의 호출에 따른 지역 변수와 매개 변수, 함수의 호출 정보, 반환되는 주소 값 등이 컴파일 타임에 높은 주소 값에서 낮은 주소 값으로 저장됩니다. 함수의 호출과 함께 할당되고, 함수의 호출이 종료되면 소멸합니다.

🔮 메모리의 힙 영역과 스택 영역의 차이에 대해 설명해 주세요.

	스택 영역 (Stack Area)	힙 영역 (Heap Area)
저장하는 데이터	지역변수, 매개변수	동적으로 생성된 변수 (new 연산자)
크기가 결정되는 타이밍	컴파일 (Compile)	런타임 (Runtime)
크기 제한	스택 크기가 제한되어 있다.	크기가 제한되어있지 않다. (늘어남)
주소 할당 방향	높은 주소 → 낮은 주소	낮은 주소 → 높은 주소
비교	힙에 비해 빠르다, 함수에 종료에 따라 소멸되므로 별다른 관리가 필요 없다.	스택에 비해 느리다, 직접 힙 영역 관리 필요

두 영역은 같은 물리 메모리 공간을 공유하는데, 스택은 높은 주소에서 낮은 주소로, 힙은 낮은 주소에서 높은 주소로 채워지기 때문에 서로의 영역을 누가 침범하느냐에 따라 Heap Overflow, Stack Overflow가 발생할 수 있습니다.

참고로, 메모리의 위쪽에 위치할 수록 낮은 주소이며, 아래쪽에 위치할 수록 높은 주소입니다.

🔮 Heap Overflow, Stack Overflow에 대해 설명해주시겠어요?

힙 오버플로는 힙 영역이 스택 영역을 침범하는 경우입니다. 예로는 과도한 메모리 동적 할당이 있습니다.

스택 오버플로는 메모리에서 스택 영역이 힙 영역을 침범할 때 발생합니다. 그 예로 과도한 재귀 호출이 있습니다.

🔮 메모리의 힙 영역을 너무 크게 잡으면 어떤 일이 생길까요? (C++, Java)

`C++`

C++에서 개발자는 직접 `new`, `delete`를 사용하여 메모리를 할당하고 해제해야 합니다. 힙 영역이 너무 크면, 이러한 메모리 관리의 복잡성과 부담이 증가하며, 메모리 누수나 double free 같은 오류의 위험이 커집니다. 또한 메모리 프래그먼테이션 문제를 야기할 수 있습니다. 이는 메모리가 비효율적으로 사용되는 것을 의미하며, 시스템의 메모리 사용 효율성을 떨어뜨립니다. 힙 메모리 할당과 해제는 시간이 소요되는 작업입니다. 힙 영역이 과도하게 크면 메모리 할당과 해제에 더 많은 시간이 소요되어 애플리케이션의 전반적인 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

`Java`

힙 영역은 스택 영역과 다르게 직접 생성된 변수를 제거를 통해 메모리 관리가 필요합니다. 만약 메모리의 힙 영역이 너무 크다면, 넓은 힙 영역에 존재하는 동적 변수에 대해 참조 여부를 확인해야 하므로 Garbage Collect 의 수행시간이 너무 길어지게 됩니다.

따라서 Java의 JVM에서도 처음부터 힙 영역을 크게 잡지 않고, Heap 영역이 꽉 찼을 때 GC 진행 후 Heap 영역을 확장하게 됩니다.

🔮 OS가 메모리 관리를 해야하는 이유에 대해 설명해 주시고, 메모리 관리를 위해 어떤 전략을 사용하는지 설명해 주세요.

우선, 각각의 프로세스는 독립된 메모리 공간을 갖습니다. 따라서 각 프로세스는 다른 프로세스의 메모리 공간에 접근할 수 없습니다. 오로지 '운영체제'만이 운영체제 메모리 영역과 사용자 메모리 영역의 접근에 영향을 받지 않습니다. 따라서 OS만이 메모리를 관리할 수 있으므로 적절한 관리가 필요합니다.

가상 메모리를 이용한 Swapping, Paging/Segmentation, 고정 길이 할당/가변 길이 할당, 압축 등의 방식으로 OS가 메모리 관리를 수행할 수 있습니다.

🔮 메모리 할당 중, 연속 방식과 비연속 방식에 대해 설명해 주세요.

연속 할당 방식은, 프로세스 이미지가 분리되지 않은 온전한 프로세스를 메인 메모리에 적재하는 방식입니다.

멀티 프로세스 환경에서 여러 프로세스를 메모리에 연속적으로 로드하는 방식입니다.

연속 할당 방식에는 크게 2가지가 있으며 '고정 길이 할당'과 '가변 길이 할당'이 있습니다. ~~연고가~~

고정 길이 할당 : 메모리를 고정된 길이로 파트를 분리하고, 프로세스를 해당 파트에 삽입합니다. 고정된 길이의 파트 내에 프로세스가 들어가므로, 여백이 생길 수 있는데 이것을 '내부 단편화'라고 합니다.
가변 길이 할당 : 메모리를 프로세스의 길이에 알맞게 파트를 분리하고, 해당 프로세스를 적재합니다. 가변된 길이이므로 내부 단편화는 발생하지 않지만, 가변적인 길이 할당에 의해 일부분이 남으므로 '외부 단편화'가 발생합니다.

비연속 할당 방식은, 프로세스가 연속된 이미지가 아닌 분리된 이미지로 구성되어 메인 메모리에 적재하는 방식입니다.

프로세스의 메모리 영역을 나눠서 메모리 공간에 저장하는 방법으로,

'페이징'과 '세그멘테이션' 방식이 있습니다. ~~불페세, 테이블~~

페이징 : 프로세스의 논리 메모리 영역과 물리 메모리 영역을 각각 일정한 크기의 페이지와 프레임으로 나눕니다. 이때 페이지와 프레임이 크기는 동일하구요, 페이지와 프레임에는 각각 번호를 할당해 프로세스의 페이지와 메모리의 프레임을 매핑합니다. 페이지와 프레임을 매핑하는 데는 페이지 테이블을 사용합니다. 각 프로세스의 PCB에 페이지 테이블이 저장됩니다. 프로세스의 마지막 페이지가 페이지 크기보다 작을 수 있으므로 '내부 단편화'가 발생할 수 있습니다. (연속 할당 방식보다는 적게 발생합니다.)
세그멘테이션 : 프로세스를 가변적인 크기의 세그먼트로 분리하고 메모리에 적재합니다. 주로 논리적인 블록단위 세그먼트로 Code, Data, Stack & Heap으로 분리할 수 있습니다. 세그멘테이션 역시 '외부 단편화'가 발생합니다.

추가적으로 페이징과 세그멘테이션 방식은 연속적이지 않으므로, 각 조각이 실제 메모리의 위치에 있는지 알아야 하므로 페이지/세그먼트 테이블이 존재합니다.

🔮 메모리 할당 알고리즘은 무엇인가요?

연속 메모리 할당 알고리즘의 가변 분할 방식에 대해 말해보겠습니다.

가변 분할 방식이란 할당할 프로세스의 크기에 따라 메모리 공간을 분할한다는 뜻인데요.

크게 세가지로 나뉩니다.

First Fit : 메모리를 처음부터 보면서 바로 프로세스를 할당합니다. 할당 시간 면에서 빠르지만, 단편화 현상으로 인해서 메모리의 앞부분에 작은 조각들이 많이 생길 수 있습니다.
Best Fit : 모든 메모리 공간을 끝까지 보고 가장 작은 곳에 할당합니다. 외부 단편화를 가장 효과적으로 줄여줍니다. 이 방법은 메모리를 가장 효율적으로 사용할 수 있지만, 메모리 검색 시간이 길어질 수 있습니다.
Worst Fit : 모든 메모리 공간을 끝까지 보고 가장 큰 곳에 할당 합니다. 단편화가 가장 심합니다.
추가) Next fit : 마지막으로 참조한 메모리 공간에서부터 탐색을 시작해 공간을 찾습니다.

🔮 OS의 메모리 관리 전략 중 페이징과 세그먼테이션을 비교해서 설명해 보세요.

페이징과 세그먼테이션은 비연속 메모리 할당 방식으로, 프로세스가 메모리에 연속적으로 할당될 때 발생할 수 있는 문제를 보완하는 기법입니다.
페이징은 논리 메모리 영역과 물리 메모리 영역을 같은 크기로 나누고, 각각의 영역을 '페이지'와 '프레임'이라고 일컫습니다. 이 기법은 메모리 할당 문제를 해결할 수 있지만, 내부 단편화가 발생할 수 있습니다.
반면에 세그먼테이션은 프로세스를 논리적 단위로 분할합니다. 프로세스의 메모리 영역을 분할했기 때문에 메모리 보호가 쉽지만, 외부 단편화 문제가 발생할 수 있습니다.
페이징과 세그멘테이션 방식은 연속적이지 않으므로, 각 조각이 실제 메모리의 위치에 있는지 알아야 하므로 페이지/세그먼트 테이블이 존재합니다.

🔮 단편화 (fragmentation) 를 언급하셨는데, 단편화가 뭔지 아는대로 설명해주세요.

할당한 메모리를 해제하면 그 메모리 공간이 빈 공간(사용하지 않는 공간) 이 되고 그 빈 공간의 크기보다 큰 메모리는 사용할 수 없습니다. 그리하여 이 공간들이 하나 둘 쌓이게 되면 수치상으로는 많은 메모리 공간이 남았음에도 불구하고, 실제로 사용할 수 없는 메모리가 발생합니다. 이렇게 공간은 있으나 새로운 프로세스를 할당할 수 없는 상황으로 크게 내부, 외부 단편화가 있습니다.

내부 단편화는 고정길이 할당 / 페이징 기법에서 나타나는 것으로, 물리 메모리를 고정적인 크기로 나눈 상황에서 이 프로세스가 나눈 걸 다 사용하지 못하고 내부에 빈공간이 생긴 것을 의미합니다. 프로세스가 필요한 양보다 메모리가 더 많이 할당된 경우입니다.
외부 단편화는 가변길이 할당 / 세그멘테이션 기법에서 나타나는 것으로, 메모리 중간중간에 사용하지 않는 빈 공간이 생겨서 더이상 할당이 안되는 현상을 말합니다.

단편화 해결을 위한 두가지 기법이 있으나 근본적으로는 완벽히 해결하지 못합니다.

페이징 기법 : 메모리를 일정 크기로 쪼개고 할당합니다. 내부 단편화가 생긴다는 단점이 있으나, 일정크기로 나눠서 중간중간 빈곳이 없습니다
세그먼테이션 기법 : 페이징처럼 일정 크기로 나누는 게 아니라, 필요한 크기만큼의 가변적인 크기의 세그먼트를 사용하는 기법으로 메모리를 할당합니다. 주로 논리적인 블록단위 세그먼트로 Code, Data, Stack & Heap 으로 분리할 수 있습니다. 프로세스의 크기만큼 할당하니, 내부단편화가 애초에 발생할 수 없으나, 외부 단편화가 생길 수 있다는 단점이 있습니다.

🔮 메모리 단편화는 어떻게 해결할 수 있나요?

메모리 압축 (디스크 조각 모음), 메모리 통합 (단편화가 발생된 공간들을 하나로 통합시켜 큰 공간으로 만드는 기법) 그리고 메모리 풀이 있습니다.

🔮 메모리 압축, 메모리 통합, 메모리 풀에 대해 설명해 주실래요?

외부 단편화 문제를 해결하는 방법으로, 메모리 압축(Memory Compaction)은 프로세스가 사용 중인 메모리 공간을 재배치해서 흩어져 있는 가용 메모리 공간을 하나로 합치는 것입니다. CPU가 몇 개의 바이트씩 읽어오고 다시 쓰는 방법으로 반복해서 재배치하므로 CPU 처리 시간이 증가하여 처리기 효율이 크게 감소합니다.

메모리 통합은 단편화가 발생된 공간에서 인접해있는 다른 단편화 공간들을 하나로 통합시켜 큰 공간으로 만드는 기법입니다.

메모리 풀(Memory Pool)은 사전에 할당되는 메모리 블록의 집합입니다. 이 풀에서는 프로그램이 실행되는 동안 필요한 메모리를 미리 할당하고, 필요할 때마다 이 풀에서 메모리를 할당받거나 반환합니다. 프로그램 실행 중 필요한 메모리를 동적으로 할당하고 해제하는 것에 비해 오버헤드를 줄이고 메모리 단편화를 줄일 수 있습니다. 이는 풀 내에서 메모리가 연속적으로 할당되기 때문입니다.

참고하면 좋을 블로그 https://91ms.tistory.com/10

🔮 유효주소, 주소지정방식을 아시나요?

유효주소는 데이터가 저장된 메모리의 주소를 의미하구요. CPU에서 이 주소지정방식을 통해서 실제 유효주소에 접근하게됩니다. 주소지정방식은 명령어가 처리해야 하는 데이터의 유효주소를 어떻게 저장하느냐인데 대표적으로 두 가지가 있다.

직접 주소 지정 방식 : 오퍼랜드(주소 필드) 내의 주소를 실제 데이터의 주소로 직접 표현하는 방식입니다. 명령어의 주소값에 바로 유효주소를 저장하는 것으로, 메모리에 한번만 접근해서 데이터에 접근할 수 있다. 효율적이지만 지정할 수 있는 메모리의 유효주소의 크기가 제한적이다.
간접 주소 지정 방식 : 유효 주소의 주소를 오퍼랜드 필드에 표현하는 방식입니다. CPU가 처리해야할 목록 중에 유효주소가 저장이 된 것의 주소를 저장한다. 데이터를 가져오기 위해 최소 2번을 참조해야 한다. 명령어의 주소필드가 짧고, 범위가 제한되어 있어서 긴 주소에 접근하기 힘들 때 사용하기 좋습니다.

이미지 참고 : https://velog.io/@hyunji015/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EB%AA%85%EB%A0%B9%EC%96%B4%EC%9D%98-%EA%B5%AC%EC%A1%B0

🔮 명령어의 주소필드가 짧다는 것이 어떤 의미인가요?

컴퓨터의 명령어는 여러 필드로 구성되어 있으며, 이 중 하나가 주소를 지정하는 '주소필드(오퍼랜드)'입니다. 만약 이 주소필드가 짧다면, 즉 비트 수가 적다면, 그것은 직접 주소 지정 방식을 사용할 때 지정할 수 있는 메모리 주소의 범위가 제한적이라는 것을 의미합니다.

주소필드의 길이가 짧으면 표현할 수 있는 주소 범위도 제한적입니다. 즉, 메모리 상의 모든 위치에 직접 접근할 수 없게 됩니다. 이러한 제한을 극복하기 위해 '간접 주소 지정 방식'이 사용됩니다.

참고하면 좋을 블로그 : https://velog.io/@hyunji015/%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EB%AA%85%EB%A0%B9%EC%96%B4%EC%9D%98-%EA%B5%AC%EC%A1%B0

🔮 가시성, 원자성을 아시나요?

멀티스레드 환경에서 공유자원을 사용 (특히 write 연산) 할 때, 두가지를 신경써줘야 하는데요.

첫 번째는 가시성이고 두 번째는 원자성입니다.

가시성 (Visibility)은 멀티스레드에서 공유자원에 대해서 모두 같은 상태를 바라보고 있는 것입니다. 그래서 스레드에서 어떤 객체를 업데이트할 때 다른 스레드는 변경되기 이전의 값을 가져오는 것을 해결하는 거죠. CPU의 캐시를 사용하지 않고 메인메모리에서 바로 가져옴으로써 해결하게 하는거죠.

C++에서 volatile은 변수에 대한 원자적 접근이나 스레드 안전을 보장하지 않습니다. 단순히 변수가 메모리에서 직접 읽히고 쓰여질 것임을 보장할 뿐입니다. 변수가 컴파일러에 의해 최적화되지 않고, 항상 메모리에서 직접 읽고 쓰여야 함을 나타내는 키워드입니다. 즉 volatile 키워드가 적용된 변수는 컴파일러에 의한 최적화 과정에서 제외되어, 변수의 값이 언제든지 변경될 수 있음을 나타냅니다.
스레드간 안전하게 데이터를 공유하려면, 추가적인 동기화 메커니즘 (예: 뮤텍스) 이 필요합니다.
최신 C++ 표준에서는 메모리 모델과 관련된 더 정교한 기능들을 제공합니다. (예: std::atomic)

다음으로 원자성 (Atomicity)은, 멀티스레드의 공유자원에 대한 수정이 모두 반영되는 것입니다. 여러개의 스레드에서 동시에 업데이트할 경우, 하나만 반영되는게 아니라 모두 반영되어야 해요. 이거는 동기화로 해결하고요 뮤텍스와 락 객체를 사용하여 이러한 동기화를 수동으로 관리합니다. 그래서 한 번에 하나의 스레드만 접근하게 해서 해결하는 거죠.

뮤텍스를 사용한 원자적 연산의 예로, std::mutex 를 사용하여 데이터의 접근을 제어할 수 있습니다. 예를 들어, mutex mtx; 를 선언하고, 데이터에 접근하기 전에 mtx.lock(); 을 호출하고, 접근이 끝난 후에 mtx.unlock(); 을 호출합니다.

🔮 스레드 안전과 이를 위한 조건이 무엇인가요?

스레드 안전이란 멀티 스레드 환경에서, 하나의 변수, 함수, 객체에 스레드 여러 개가 동시에 접근해도 문제가 없음을 의미합니다.

이를 위해 다음과 같은 4가지 조건을 지켜야 합니다.

상호배제 (mutual eclusive) : 공유 자원에 접근해야 할 때, 뮤텍스 또는 세마포어와 같은 상호배제 기법을 사용해서 접근을 통제해야 합니다.

원자 연산 (atomic operation) : 공유 자원에 접근할 때 원자 연산을 이용하거나, 원자적으로 정의된 연산을 이용해 연산 도중에 다른 스드가 접근할 수 없게 합니다. 여기서 원자 연산이란 "연산했다"와 "연산 안 했다" 두 가지만 존재하는 연산입니다.

재진입성 (reentrancy) : 특정 함수를 하나의 스레드에서 실행 중일 때 다른 스레드가 해당 함수를 실행해도 각 스레드에 올바른 결과가 나올 수 있게 해야 합니다.

스레드 지역 저장소 (thread local storage) : 각 스레드에서만 접근할 수 있는 저장소를 사용해서 공유되는 자원을 줄여야 합니다.

🔮 프로세스 스케줄러가 무엇인가요?

메모리와 CPU가 한정되어있으므로, 멀티 프로세스 환경에서 모든 프로세스를 공형하게 실행하기 위해,

어떤 프로세스에게 메모리와 CPU를 할당할지를 결정하는 스케줄러로, 크게 세가지가 있습니다.

장기 스케줄러 : 과거에는 메모리 공간이 적어서 어떤 걸 하드에서 준비큐에 올릴지도 결정해야 했습니다. 현대 운영체제에서는 시분할 시스템을 사용하므로 대부분 사용하지 않는다고 알고 있습니다.
중기 스케줄러 : 메모리 공간의 여유공간을 위해 프로세스 수를 관리 합니다. 메모리에 로드된, 즉 준비큐의 프로세스의 개수 를 동적으로 조절합니다. 메모리에 프로세스가 많이 로드되면 SSD같은 디스크 저장공간으로 스왑 아웃하고, 이렇게 스왑 아웃된 일부 프로세스는 중단 상태(suspended) 가 됩니다.
단기 스케줄러 : 흔히 우리가 말하는 CPU 스케줄러로, 준비큐에서 대기 상태 프로세스 중 어떤 프로세스를 CPU에 할당할지를 관리합니다. 즉, 어떤 프로세스를 디스패치할지 결정합니다.

🔮 CPU 스케줄러 (단기 스케줄러) 에 대해 설명해주세요.

준비큐에 있는 프로세스에 대해서 CPU를 할당하는 방법입니다. 공평하게 CPU를 할당하기 위해 여러 알고리즘,

그 중에서도 크게 다섯가지 알고리즘이 있는데요.

FCFS, SJF, SRT, Priority Scheduling, 그리고 Round Robin이 있습니다.

🔮 CPU 스케줄링 알고리즘에 대해서 설명해주세요.

모두 멀티태스킹 환경에서 여러 프로세스 또는 스레드에 CPU 시간을 할당하는 방법을 제공합니다.

비선점형, 선점형 스케줄링으로 나뉠 수 있는데요.

(비선점형 스케줄링은 하나의 프로세스가 실행 중이면 해당 프로세스가 종료될 때까지 다른 프로세스가 실행될 수 없습니다. 선점형 스케줄링은 하나의 프로세스가 실행 중일 때 스케줄러가 실행 중인 프로세스를 중단시키고 다른 프로세스를 실행할 수 있습니다.

선점형 스케줄링은 더 복잡하고, 문맥 전환(context switch) 비용이 더 높을 수 있지만, 반응 시간을 단축시키고 더 공정한 자원 분배를 제공할 수 있습니다. 반면, 비선점형 스케줄링은 구현이 간단하고 오버헤드가 적지만, 특정 프로세스가 CPU를 독점할 위험이 있습니다.)

FCFS (First Come First Serve)

준비 큐에 먼저 들어온 프로세스가 우선순위를 갖는 비선점형 선입선출 알고리즘입니다.

SJF (Shortest Job First)

준비 큐에 있는 프로세스 중 CPU를 점유하는 실행 시간이 짧은 것부터 실행하는 비선점형 알고리즘입니다.

SRT (Shortest Remaining Time)

SJF 의 선점형 버전으로, 새로운 프로세스가 도착하면 현재 실행 중인 프로세스와 비교하여 스케줄링을 다시 결정합니다.
자주 발생하는 문맥 교환 (context switch) 으로 인해 오버헤드가 증가할 수 있는 단점이 있습니다.
또한 Starvation (굶주림/기아) 이라는 문제가 일어날 수 있습니다. 긴 실행 시간을 가진 프로세스는 계속해서 대기 상태로 머물 수 있습니다.

Priority Scheduling : 선점형 또는 비선점형 버전이 있습니다.

각 프로세스에 우선순위를 할당하고, 가장 높은 우선순위를 가진 프로세스에 먼저 CPU를 할당합니다. 우선순위는 정적이거나 동적일 수 있습니다.
우선순위가 가장 높은 프로세스에 CPU를 할당합니다. 선점형 버전에서는 더 높은 우선순위의 프로세스가 도착하면 현재 프로세스를 중단할 수 있습니다. 반면, 비선점형 버전에서는 현재 프로세스가 완료될 때까지 기다립니다.

Round Robin

선점형 스케줄링으로, 모든 프로세스에 동일한 시간 할당량(타임 퀀텀)을 부여하고, 이 시간이 지나면 다음 프로세스에게 순서를 넘깁니다.

팁... First 가 붙으면 비선점형이다!

🔮 컨텍스트 스위칭이 무엇인가요?

컨텍스트 스위칭은 CPU가 처리 중인 프로세스를 변경하는 것을 의미합니다. CPU는 하나의 프로세스만 처리할 수 있어서 멀티 프로세스 환경에서는 콘텍스트 스위칭이 발생합니다. CPU 스케줄러에 의해 인터럽트가 발생하면 실행 상태의 프로세스가 준비 또는 대기 상태로 전환되고, 다음에 실행할 프로세스가 실행 상태로 전환됩니다. 이때 레지스터에 저장된 프로세스 정보가 바뀌면서 오버헤드가 발생하게 된다.

🔮 더 자세히 말해주세요.

CPU가 현재 처리 중인 프로세스의 PCB(Process control Block)을 따로 저장하고 다른 PCB를 가져오는 것을 말합니다. PCB는 특정 프로세스에 대한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조입니다. 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성합니다. 저장되는 정보로는 프로세스의 고유 아이디인 PID, 프로세스가 다음으로 실행해야 하는 명령어의 주소 값인 PC 등이 있습니다.

컨텍스트 스위칭은 하나의 프로세스가 CPU를 사용 중인 상태에서 다른 프로세스가 CPU를 사용하도록 하기 위해 이전 프로세스의 상태를 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 작업입니다. 즉, 스케줄링에 의해 실행 중인 코드, 자원 등을 저장하고 현재 상태를 대기 상태로 만들고, 다른 프로세스를 실행시키는 과정입니다.

🔮 멀티 프로세스에서 콘텍스트 스위칭과 멀티 스레드에서 콘텍스트 스위칭의 차이점은 무엇인가요?

가장 큰 차이점은 멀티 스레드에서 콘텍스트 스위칭할 때, 멀티 프로세스보다 오버헤드가 적게 발생한다는 점입니다. 멀티 프로세스는 프로세스별로 고유한 메모리 영역을 가지는 반면, 멀티 스레드는 스택 영역을 제외한 메모리 영역을 공유합니다. 그래서 레지스터에 로드해야 하는 데이터 양이 적어서 오버헤드가 적게 발생합니다.

🔮 인터럽트와 폴링을 아시나요?

인터럽트는 하드웨어 이벤트가 발생했을 때 CPU에게 알리는 방식이며, 폴링은 CPU가 주기적으로 하드웨어 장치를 체크하는 방식입니다. 인터럽트는 자원 사용 측면에서 더 효율적이지만 구현이 복잡할 수 있으며, 폴링은 간단한 시스템에 적합하지만 지속적인 자원 사용이 필요합니다.

인터럽트란 하드웨어 이벤트가 발생했을 때 CPU에게 알리는 방식입니다.
- CPU에서 프로세스를 처리하다가 입출력 관련 이벤트가 발생하거나 예외 상황이 발생할 때 이에 대응할 수 있게 CPU에 처리를 요청하는 것을 의미한다.
- 그 예로 입출력이 발생할 때, CPU 사용 시간이 만료되었을 때, 자식 프로세스를 생성할 때, I/O 작업 완료되었을 때를 알리는 메커니즘입니다.
폴링은 CPU가 주기적으로 하드웨어 장치를 체크하는 방식입니다.
- 인터럽트 없이도 장치의 상태를 주기적으로 확인할 수 있으므로, 인터럽트 시스템이 필요 없는 간단한 시스템에서 유용합니다.
- CPU 자원의 낭비가 발생할 수 있으며, 응답 시간이 지연될 수 있습니다. CPU가 지속적으로 장치를 확인해야 하기 때문입니다.
- 간단한 임베디드 시스템, 키보드 스캐닝, 간단한 I/O 장치 체크 등에서 사용됩니다.

🔮 TLB, MMU 를 아시나요?

TLB (translation look a side buffer 변환 색인 버퍼) : 가상 메모리 주소를 물리적 메모리 주소로 변환하는 과정을 가속화하기 위한 특수한 종류의 캐시입니다. 자주 사용하는 가상 주소에 대한 물리 메모리를 가지고 있습니다. 만약 TLB Miss, Page Not Present 라면 메모리에도 없다는 뜻이니 디스크에서 Swap-in 해줘야 합니다. 메모리에 Swap-in 한 후 페이지 테이블을 업데이트 해주고, TLB를 업데이트해서 물리주소에 접근할 수 있습니다.
MMU (Memory Management Unit) : CPU가 프로세스를 실행할 때 사용하는 주소 값과 실제 주소 값이 다르므로 논리 주소를 물리 주소로 변환해 줘야 하는데, 이러한 동작을 하는 하드웨어 장치를 MMUT 라고 합니다. MMU는 CPU에 위치하며, CPU에서 메모리에 접근하기 전에 MMU를 거쳐 논리 주소에 해당하는 물리 주소를 얻습니다. MMU는 보호해야 하는 메모리 영역에 대한 접근을 제한해서 메모리를 보호하는 역할도 합니다.엄연히 따지면 TLB는 MMU 내부의 메모리입니다. MMU는 가상주소, 물리주소 변환 작업의 전체를 주도합니다.

🔮 프로세스, 스레드의 차이점을 설명해주세요.

프로세스는 실행 중인 하나의 프로그램을 의미하며 실행의 단위라고 할 수 있습니다.
반면에 스레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위를 의미합니다.
그래서 프로세스는 독립적인 메모리 영역을 갖지만, 스레드는 스택 영역만 독립적이고, 그 외 영역은 다른 스레드와 공유합니다.

🔮 프로세스 동기화가 무엇인가요?

프로세스 동기화는 여러 프로세스 또는 스레드가 하나의 공유 자원에 접근해도 일관성을 유지하는 것을 의미합니다. 공유 자원에 접근할 수 있고 접근 순서에 다라서 결과가 달라지는 코드 영역을 임계 영역이라고 하며, 임계 영역에 대한 상호배제 기법이 잘 이뤄져야, 프로세스 동기화를 할 수 있습니다. 상호배제 기법으로는 뮤텍스와 세마포어가 있습니다.

🔮 스레드마다 독립적으로 할당되는 것이 무엇일까요?

스레드는 독립적으로 스택 영역과 PC Register 를 갖고 있습니다. 그 이유는 스레드의 정의와 컨텍스트 스위칭에 있습니다.

독립적으로 스택을 갖는 이유: 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것을 의미합니다. 즉, 프로세스 내의 독립적인 실행 흐름을 만들기 위해 스레드마다 스택 영역을 갖습니다.

그리고 독립적으로 PC Register를 갖는 이유: PC Register 값은 스레드가 명령어를 어디까지 수행했는지를 나타냅니다. 스레드는 CPU를 할당받았다가, 스케줄러에 의해 선점당해 컨텍스트 스위칭이 일어납니다. 따라서 다시 해당 스레드가 실행될 때 어디까지 실행되었는지 알아야 하므로 독립적으로 PC Register 값을 갖게 됩니다.

🔮 크롬 브라우저에서 한 탭에 오류가 생기더라도, 다른 탭에 영향을 끼치지 않습니다. 그렇다면 각각의 크롬 탭은 프로세스일까요? 쓰레드일까요?

크롬 탭이 쓰레드라면, 한 크롬 탭에서 오류가 생기면 다른 크롬 탭에도 영향이 갈 수 있습니다. 따라서 한 탭에 오류가 생기더라도 다른 탭에 영향을 끼치지 않는다는 특성에 의해, 크롬 탭은 별개의 프로세스인 것을 알 수 있습니다.

🔮 가상 메모리를 아시나요?

가상 메모리란, 프로세스 전체가 메모리 내에 올라오지 않더라도 실행이 가능하도록 하는 기법입니다. 가상메모리가 없다면 실행되는 코드의 전부를 적재해야 하므로 메모리 용량보다 큰 프로그램을 실행할 수 없습니다.

즉, 모든 프로세스에게 메모리를 할당하기에는 메모리의 크기가 한계가 있어서 사용하는 방법으로, 프로세스에서 사용하는 부분만 메모리에 올리고, 나머지는 디스크에 보관하는 기법입니다.

따라서 프로세스 전체가 아닌 일부만 메모리 영역으로 옮기고 나머지는 보조 기억장치인 디스크에 옮겨 실제 메모리 영역보다 더 큰 영역을 사용하는 것처럼 보이게 하는 방식입니다.

가상메모리를 사용하면 동시에 많은 프로그램을 실행할 수 있고, 응답시간을 유지하면서 CPU 이용률과 처리율을 높일 수 있습니다. ㅡ단점으로는 물리메모리의 구동보다는 속도가 느리다는 단점이 있습니다.

+ 가상 메모리를 통해 프로세스들이 메모리를 공유하는 것이 가능하도록 하고, 프로세스들은 이 공유 메모리를 통해 통신할 수 있습니다. 공유 라이브러리가 실제로 물리 메모리 영역에 올라가있고, 모든 프로세스에게 공유되게 됩니다.

프로세스를 읽어들일 때 미리 정해진 크기의 단위를 페이지라고 합니다. 가상 메모리를 사용할 때 Page Fault가 일어나면 페이지를 교체합니다. 가상 메모리를 구현하는 방법으로는 요구 페이징이 있습니다.

🔮 페이지 교체 알고리즘이 뭔가요? 자세히 설명해주세요.

페이지 교체 알고리즘의 목표는 페이지 교체가 최대한 적게 일어나는 것이다. 메모리 공간이 부족해서 이미 실행중인 프로세스의 페이지를 디스크로 스왑아웃하고 필요한 프로세스의 페이지를 디스크에서 스왑인하는 것이다. 페이지 폴트는 일반적으로 느린 디스크 접근이 필요하기 때문에, 시스템의 전반적인 성능에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 따라서, 효율적인 메모리 관리와 적절한 페이지 교체 알고리즘을 사용하는 것이 중요합니다.

페이지 교체 알고리즘은 크게 3가지가 있는데요,

보편적으로는 LRU가 캐시 히트율이 더 높을 수 있어서 많이 쓰인다고 합니다.

FIFO (First In First Out) : 오래된 페이지일수록 사용가능성 없으니 내보내자. 가장 오래 전에 캐시에 들어온 항목을 먼저 제거하는 방식입니다.
LRU (Least Recently Used) : 가장 오랫동안 사용되지 않은 걸 내보내자. 가장 오랫동안 사용되지 않은 항목을 먼저 제거하는 방식입니다.
LFU (Least Frequently Used) : 참조횟수 가장 적은 걸 내보내자

🔮 FIFO, LRU의 차이점이 뭘까요?

FIFO는 대개 큐를 사용하여 구현됩니다. 새 항목이 들어오면 큐의 뒤에 추가되고, 교체가 필요할 때는 큐의 앞부분에서 항목이 제거됩니다. 사용 빈도나 최근 사용 여부를 고려하지 않습니다. 오래된 데이터가 자주 사용되는 경우에는 비효율적일 수 있습니다.
LRU 알고리즘은 접근된 데이터의 순서를 추적합니다. 이를 위해 링크드 리스트, 해시 맵 등 복잡한 데이터 구조를 사용할 수 있습니다. 구현이 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 실제 사용 패턴을 더 잘 반영할 수 있어 FIFO보다 효율적일 수 있습니다. LRU는 사용 패턴을 반영하기 때문에, 일반적으로 FIFO보다 캐시 히트율이 더 높을 수 있습니다.

🔮 요구 페이징에 대해 설명해주세요.

현대 운영체제에서 가상 메모리를 구현하는 방법으로, 프로세스에서 필요한 페이지만 메모리에 로드하는 방식인데요. 페이지를 모두 메모리에 로드하지 않고 초기에 필요한 영역만 로드한 후, 다른 영역은 요청이 올 때 메모리에 로드합니다.

쉽게 말해서 페이징 기법과 스와핑을 사용하는 방식이라고할 수 있습니다.

요구 페이징은 프로그램 실행 시작 시에 프로그램 전체를 물리 메모리에 적재하는 대신, 초기에 필요한 것들만 적재하는 전략을 의미합니다. 프로세스에서 필요한 (요구하는) 페이지만 메모리에 로드하는 방식입니다. 페이지를 모두 메모리에 로드하지 않고 초기에 필요한 영역만 로드한 후, 다른 영역은 요청이 올 때 메모리에 로드합니다.
가상 메모리와 페이지 개념을 활용해 관리됩니다.
프로그램을 실행하다가 메모리에 필요한 페이지가 없을 때 이를 페이지 폴트 라고 합니다. 페이지 폴트가 발생하면 디스크에서 필요한 페이지를 디스크에서 스왑 인합니다. 이때 페이지에 해당하는 메모리 영역이 물리 메모리에 있는지는 페이지 테이블로 파악할 수 있습니다. 페이지 폴트가 자주 발생하면 스레싱이 발생할 수 있습니다.

🔮 페이지 폴트가 무엇인가요? 절차도 아시나요?

페이지 폴트(page fault)는 가상 메모리 시스템에서 프로그램이 현재 메모리에 없는 페이지에 접근하려고 할 때 발생하는 상황입니다.

페이지 폴트 감지:
- 프로세스가 메모리에 없는 페이지에 접근하려고 하면, 하드웨어는 페이지 폴트를 감지하고 운영체제에 인터럽트를 보냅니다.
인터럽트 서비스 루틴 실행:
- 운영체제는 페이지 폴트 인터럽트 서비스 루틴 (Page Fault ISR) 을 실행하여 이를 처리합니다. 이 과정에서 먼저 폴트가 유효한지 확인합니다. 예를 들어, 접근하려는 주소가 유효 범위 내에 있는지, 해당 페이지에 대한 권한이 있는지 등을 검사합니다.
스왑 공간에서 페이지 찾기:
- 유효한 페이지 폴트의 경우, 운영체제는 해당 페이지를 디스크의 스왑 공간(swap space)에서 찾습니다. 스왑 공간은 하드 드라이브의 일부로, 가상 메모리의 일부로 사용됩니다.
물리적 메모리에 공간 확보:
- 운영체제는 물리적 메모리에서 페이지를 로드할 공간을 확보합니다. 필요한 경우, 다른 페이지를 스왑 아웃(swap out)하여 디스크로 옮겨 공간을 만듭니다.
디스크에서 페이지 로드:
- 필요한 페이지를 디스크에서 물리적 메모리로 로드합니다. 이 과정은 상대적으로 시간이 많이 소요되는 작업입니다.
페이지 테이블 업데이트:
- 페이지가 메모리에 로드되면, 운영체제는 페이지 테이블을 업데이트하여 새로운 페이지의 메모리 주소를 반영합니다.
프로세스 재개:
- 모든 처리가 완료되면, 운영체제는 원래의 프로세스를 재개합니다. 프로세스는 이제 필요한 페이지에 접근할 수 있습니다.

🔮 스레싱이 무엇인가요?

스레싱이란 페이지 부재율이 높은 상태를 의미합니다. 가상 메모리 환경에서 다중 프로그래밍 정도가 높아지면서 페이지 폴트가 빈번히 발생해 어느 한계가 지나면 CPU 이용률이 오히려 낮아지는 증상 을 의미하는데요, 즉, 실제 시스템이 작동되는 시간보다 페이지 교체가 빈번히 일어나 발생하는 문제입니다.
메모리가 고갈되었지만, 프로세스를 실행해야 하기 때문에 Swap이 활발해집니다. 따라서 CPU 이용률이 하락하고, OS는 CPU 이용률이 낮으므로 오히려 프로세스를 추가하게 되는 스레싱 현상이 발생합니다. 이를 해소하지 못하면 Out Of Memory 상태로 판단해 중요도가 낮은 프로세스를 강제로 종료하게 합니다.
이를 해소 하기 위해서 Working Set 알고리즘과 Page Fault Frequency 알고리즘을 사용합니다.
- Working Set는 지역성 (캐시의 그 지역성 맞습니다) 을 기반으로 자주 사용하는 페이지를 저장해 두는 것을 의미합니다. 대부분의 프로세스가 특정 페이지만 집중적으로 참조하는 특성을 이용, 일정 시간 동안 참조되는 페이지 개수를 파악하고, 그 페이지 수만큼 여분 프레임이 확보되면 그 때 페이지를 메모리에 올리는 알고리즘 입니다.
- Page Fault Frequency : Page Fault 퍼센트의 상한과 하한을 둡니다. 상한을 넘으면 페이지에게 지급하는 프레임 개수를 늘리고, 하한을 넘으면 지급 프레임 개수를 줄입니다.

🔮 프로세스의 종류는 무엇이 있는지 설명해 주세요.

자식 프로세스
- fork로 자식 프로세스를 만든 상태, 부모의 데이터, 힙, 스택, PCB 복사

데몬 프로세스
- 백그라운드에서 동작하면서 특정한 서비스를 제공하는 프로세스
고아 프로세스
- 부모 프로세스가 먼저 종료되어 고립된 자식 프로세스
좀비 프로세스
- 자식 프로세스가 종료되었음에도 불구하고, 부모 프로세스로부터 작업 종료에 대한 승인을 받지 못한 프로세스

🔮 쓰레드마다 독립적으로 할당하는 2가지에 대해 설명해 주세요.

쓰레드는, 독립적으로 스택 영역과 PC Register를 갖고 있습니다. 그 이유는 쓰레드의 정의와 컨텍스트 스위칭에 있습니다.

1) 독립적으로 스택 영역을 갖는 이유 :

스택 영역은 함수의 실행과 관련이 있습니다. 독립적으로 스택을 갖는다는 것은 곧 독립적으로 함수 호출이 가능하다는 것을 의미합니다. 즉, 프로세스 내의 독립적인 실행 흐름을 만들기 위해 쓰레드마다 스택 영역을 갖습니다.

2) 독립적으로 PC Register를 갖는 이유 :

PC Register 값은, 쓰레드가 명령어를 어디까지 수행했는 지를 나타냅니다. 쓰레드는 CPU를 할당받았다가, 스케줄러에 의해서 선점당해 컨텍스트 스위칭이 일어납니다. 따라서 다시 해당 쓰레드가 실행될 때 어디까지 실행이 되었는지 알아야 하므로 독립적으로 PC Register 값을 갖게 됩니다

🔮 컨텍스트 스위칭에 대해 설명하고, 왜 컨텍스트 스위칭이 필요한지 설명해 주세요.

컨텍스트 스위칭은 CPU가 처리 중인 프로세스를 변경하는 것을 의미합니다. CPU는 하나의 프로세스만 처리할 수 있어서, 멀티 프로세스 환경에서는 컨텍스트 스위칭이 발생합니다. CPU 스케줄러에 의해 인터럽트가 발생하면, 실행 상태의 프로세스가 준비 또는 대기 상태로 전환되고, 다음에 실행할 프로세스가 실행 상태로 전환됩니다. 이때 레지스터에 저장된 프로세스 정보가 바뀌면서 오버헤드가 발생하게 됩니다.

과정:

1) CPU가 다른 프로세스로 전환하면 시스템은 프로세스의 상태를 PCB에 저장합니다

2) 대기열에서 다음 프로세스를 선택하고 해당 프로세스의 PCB를 복원합니다.

3) PCB의 프로그램 카운터(레지스터)가 로드되어 이전까지 작업한 곳의 지점으로 돌아가 선택한 프로세스의 작업을 이어서 합니다.

🔮 프로세스 제어 블록 (PCB)에 대해 더 자세히 설명해 주세요.

- 프로세스 제어 블록(Process Control Block, 줄여서 PCB)은 프로세스를 관리하기 위한 정보를 포함하는 OS 커널의 자료 구조입니다.

- OS는 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB 를 생성합니다.

- PCB가 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에, 일반 사용자가 접근하지 못하도록 보호된 메모리 영역 안에 위치합니다.

- 프로세스는 수행할 차례가 되면, CPU를 할당받아 작업을 처리합니다. 작업을 처리하던 도중 프로세스의 시간이 모두 경과되거나 인터럽트가 발생하는 등의 프로세스 전환이 발생하면, 진행하던 작업을 저장하고 CPU 를 반환합니다. 이 때, 수행하던 프로세스 관련 데이터들을 PCB 에 저장합니다. 그리고 다시 프로세스의 수행 차례가 와서 CPU 를 할당받게 되면, PCB 에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행합니다. 이렇게 사용하던 프로세스의 데이터를 PCB에 저장하고, 실행할 프로세스의 데이터를 PCB에서 불러오는 과정을 Context Switching이라고 합니다.

- PCB 에 저장되는 정보는 아래와 같습니다.

프로세스 식별자 (Process ID, PID) : 프로세스 식별번호
프로세스 상태 : `new`, `ready`, `running`, `waiting`, `terminated` 등의 상태를 저장
PC (프로그램 카운터) : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
CPU 레지스터
CPU 스케쥴링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등

🔮 인터럽트가 무엇인가요?

Interrupt(인터럽트)는 프로그램을 실행하고 있는 도중에 입출력 요청 혹은 예외 상황을 처리해야 하면 실행하던 프로그램을 멈추고 CPU가 해당 작업을 처리하도록 하는 것을 의미합니다.

🔮 메모리의 종류에 대해 설명하고, 종류가 여러가지인 이유에 대해 설명해 주세요.

CPU에 가까운 순서대로 레지스터, 캐시, 주기억장치, 보조기억장치가 있습니다.

물리적 메모리의 종류가 많은 이유는, 접근 속도에 따른 차이를 두기 위해서입니다.

(레지스터 > 캐시 > 주기억장치 > 보조기억장치)

🔮 서브루틴을 아시나요?

서브루틴 (함수 또는 메서드라고도 함) 은 프로그램 내에서 재사용 가능한 코드 블록입니다. 같은 프로세스 내에서 실행되며, 컨텍스트 스위칭이 없습니다. 일반적인 프로그래밍 작업을 위해 사용되며, 운영체제의 직접적인 관리 없이 실행됩니다.

C++에서 서브루틴을 사용하는 방법은 함수(Function)를 정의하고 호출하는 것입니다. 함수는 특정 작업을 수행하는 코드 블록으로, 필요할 때마다 재사용할 수 있습니다.

🔮 프로세스의 제어 명령을 아는대로 알려주세요.

프로세스 제어 명령은 운영체제가 프로세스의 생성, 실행, 종료 등을 관리하기 위해 사용하는 명령들입니다. 예를 들어, `fork()`, `exec()`, `wait()`, `exit()` 등이 이에 해당합니다. 이 명령들은 프로세스의 생명 주기를 관리하고, 다중 프로세스 환경에서의 자원 관리와 조정을 가능하게 합니다.

🔮 fork() 와 vfork() 는 어떻게 다른가요?

`fork()`

fork()는 부모 프로세스의 메모리 복사본을 생성하여 새로운 자식 프로세스를 만듭니다.
이로 인해 부모 프로세스와 자식 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지게 됩니다.
자식 프로세스 생성 후에는 부모와 자식 프로세스가 동시에 실행됩니다.
이 함수를 호출하면, 부모 프로세스는 자식 프로세스의 PID 값을, 자식 프로세스는 0 을 반환합니다.

`vfork()` ✌🏻

vfork()는 fork()와 유사하지만, 메모리를 복사하지 않고 부모 프로세스의 메모리 공간을 공유합니다.
자식 프로세스는 exec() 시스템 콜을 호출하거나 exit() 을 호출할 때까지. 부모 프로세스의 실행을 중단시킵니다.
주로 메모리 사용량을 줄이고 성능을 향상✌🏻시키기 위해 사용됩니다.

🔮 동시성, 병렬성이 어떻게 다른가요?

동시성은 멀티 프로그래밍 (Multi-Programming)에서 나온 개념으로, 주기억장치에 여러 프로세스를 적재해서 Context Switching을 통해 동시에 실행되는 것 처럼 보이게 하는 것을 의미합니다. 실제로는 동시에 실행되는 것이 아니라, 번갈아 실행하는 것이기 때문에 컨텍스트 스위칭으로 인한 오버헤드가 발생합니다. 주로 싱글 코어에서 멀티스레드를 동작시키기 위한 방식입니다.

병렬성은 멀티 프로세싱 (Multi-Processing)에서 나온 개념으로, 실제로 동시에 여러 프로세스를 병렬적으로 실행하는 방식입니다. 즉 물리적인 시간 관점에서 여러 작업이 동시에 처리되는 방식입니다.병렬적으로 실행하기 위해서는 CPU가 멀티 코어여야 합니다.

🔮 멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이점을 설명해 주세요.

멀티 프로세스는 응용프로그램 하나를 프로세스 여러 개로 구성하는 것입니다. 반면에 멀티 스레드는 한 프로세스 안에서 여러 스레드로 작업을 처리하는 것입니다. 프로세스는 독립적인 메모리 영역을 갖기 때문에 프로세스 간 자원 공유와 통신을 하려면 IPC를 활용해야 합니다. 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향을 끼치지 않지만, 멀티 쓰레드보다 많은 메모리 공간을 차지합니다.

스레드는 자원 공간을 공유하므로 스레드 간 통신과 자원 공유가 간단하고 프로세스 대비 컨텍스트 스위칭 비용이 적게 들지만, 동기화가 필요합니다. 또한 오류로 인해 하나의 쓰레드가 종료되면 전체 쓰레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 가지고 있습니다.

왜 멀티 쓰레드를 더 많이 사용하는가?

하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이 더 효율적이고, Context Switching 시, Stack 영역만 초기화하면 되기 때문에 더 빠릅니다. 또한 프로세스 생성시 자원 할당하는 콜이 줄어들어서 자원을 효율적으로 관리할 수 있는 장점도 있습니다.

🔮 동기 비동기 블로킹 논블로킹이 무엇인가요?

동기 (Synchronous) 는 작업의 순차적인 진행을 의미합니다.
- 예: 데이터베이스 시스템에서 트랜잭션이 순차적으로 실행됩니다. 한 트랜잭션이 완료되기 전까지 다음 트랜잭션은 시작되지 않습니다. 이는 데이터의 일관성과 무결성을 유지하는 데 중요합니다.
- 탄생 배경: 초기 컴퓨팅 시스템에서는 작업들이 순차적으로 실행되었습니다. 한 작업이 완료되어야 다음 작업이 시작될 수 있었으며, 이러한 동기적 처리는 프로그래밍을 단순하고 직관적으로 만들었습니다.

비동기 (Asynchronous) 는 작업의 완료에 대한 콜백이나 이벤트같은 알림을 기반으로 합니다. 즉, 작업이 완료되면 결과에 대한 알림을 받습니다.
- 예: 웹서버가 클라이언트의 HTTP 요청을 처리할 때 클라이언트는 요청을 보내고 응답을 기다리는 동안 다른 작업을 계속할 수 있으며, 서버는 요청을 백그라운드에서 처리한 후 결과를 반환합니다.
- 탄생 배경: 동기적 처리의 한계, 특히 I/O 작업이나 네트워크 요청과 같은 긴 대기 시간이 필요한 작업에서 프로그램의 효율성을 높이기 위해 개발되었습니다. 비동기 처리는 이러한 대기 시간 동안 다른 작업을 수행할 수 있게 해서, 전체 시스템의 효율성을 높입니다.

블로킹은 작업을 수행하는 동안 다른 작업을 수행할 수 없는 상태를 의미합니다. ~~즉, 모든 동기적 작업은 블로킹일 필요는 없습니다. 또한 동기적이지만 넌블로킹인 작업의 경우, 다른 작업을 수행할 수 있습니다.~~
- 예: 네트워크를 통한 데이터 송수신에서 블로킹 소켓을 사용할 경우, 데이터가 도착할 때까지 실행이 중단됩니다. 예를 들어, recv() 함수는 데이터를 받을 때까지 프로그램의 실행을 정지시키고 기다립니다.
- 탄생 배경: 초기 컴퓨팅에서는 작업 실행 시 다른 작업이 동시에 실행되지 못하게 막는 것이 일반적이었는데요, 이 방식은 프로그램의 복잡성을 줄이고, 리소스에 대한 안정적인 접근을 보장합니다.

넌블로킹은 요청한 작업이 즉시 완료되지 않더라도 그 상태를 대기하지 않고 즉시 다른 작업으로 넘어가며, 나중에 작업의 완료 여부를 확인합니다.
- 예: 주로 I/O 작업에서 빠른 응답성이 필요할 때. 예를 들어, 넌블로킹 소켓은 데이터를 읽거나 쓸 수 있는 상태가 될 때까지 대기하지 않고, 그 상태를 주기적으로 확인 polling 합니다.
- 탄생 배경: 블로킹 방식의 단점, 특히 시스템 자원이나 작업 대기 시간으로 인한 효율성 저하를 해결하기 위해 개발되었습니다. 논블로킹 방식은 작업이 즉시 완료되지 않더라도 다른 작업으로 전환해서 CPU 시간을 효율적으로 사용할 수 있게 합니다.

동기/비동기 = 호출당한 함수의 종료를 누가 처리하느냐
블로킹/넌블로킹 = 제어권이 누구에게 돌아가느냐

🔮 Race Condition 과 Critical Section 이 무엇이고, 경쟁 상태를 막기 위해 어떤 방법을 사용하는지 설명해 주세요.

두 개 이상의 쓰레드가 공유 자원에 대해 접근하려고 서로 경쟁하는 것을 'Race Condition (경쟁상태)' 라고 합니다.

이 공유 자원이 존재하는 구간으로 Race Condition 이 일어날 수 있는 영역을 'Critical Section (임계영역)' 이라고 합니다.

이러한 임계영역에 대한 경쟁상태를 제거하기 위해서, 한 공유자원에 대해서 한 쓰레드에만 접근을 허락하도록 하는 '상호배제(Mutual Exclusion)' 를 사용합니다.

프로세스 혹은 스레드 간의 통신 시에 shared memory 등을 쓰는 경우 하나의 자원에 두 개 이상의 프로세스 혹은 스레드가 접근하는 경우에 경쟁 상태 (race condition) 가 발생합니다. 이를 제어하기 위해 동기화 기법을 사용하는데 뮤텍스와 세마포어가 그 예시입니다.

🔮 DeadLock(교착상태)에 대해 설명하고, 해결 방법에 대해 설명해 주세요.

DeadLock(교착상태)는, 두 개 이상의 프로세스나 쓰레드가 서로 자원을 기다리면서 무한히 대기하는 상태를 의미합니다.

DeadLock이 발생하기 위한 4가지의 필요 충분 조건이 있습니다.

상호 배제 (Mutual Exclusion)
- 한 자원에 여러 프로세스가 동시에 접근할 수 없다.
점유 대기 (Hold and Wait)
- 하나의 자원을 소유한 상태에서 다른 자원을 기다린다.
비선점 (Non-preemption)
- 프로세스가 어떤 자원의 사용을 끝낼 때까지 프로세스의 자원을 뺏을 수 없다.
순환 대기 (Circular Wait)
- 각 프로세스가 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 갖고 있다.

교착상태를 해결하는 방법은 위의 4가지 조건 중 하나라도 제거하면 막을 수 있습니다.

다만 Race Condition 제거를 위해서 '상호 배제' 조건을 제거하기는 현실적으로 어렵습니다.

예방(Prevention)
- 교착 상태 조건 중 하나를 제거함으로 데드락이 발생하지 않도록 예방하는 방식
- 자원 낭비가 심하다.
회피(Avoidance)
- 데드락 발생 가능성을 인정하면서도 적절하게 회피하는 방식
- 은행원 알고리즘
  - 프로세스가 자원을 요구할 때 시스템은 자원을 할당한 후에도 안전 상태로 남아있게 되는지를 사전에 검사하는 알고리즘
  - 발생하지 않으면 자원을 할당하고, 발생하면 다른 프로세스가 자원을 해제할 때까지 대기한다.
  - 안전상태: 시스템이 교착상태를 일으키지 않으면서 각 프로세스가 요구한 최대 요구량만큼 필요한 자원을 할당해 줄 수 있는 상태
  - 항상 안전 상태를 유지할 수 있다는 장점이 있으나 최대 자원 요구량을 미리 알아야 하고 항상 불안전 상태를 방지해야 하므로 자원 이용도가 낮다.
회복(Recovery)
- 은행원 알고리즘과 유사하게 시스템의 자원 할당 상태를 갖고 데드락이 발생했는지 여부를 탐색한다.
- 탐지했다면 데드락을 회복한다.
  - 데드락 상태의 프로세스 모두 중단시키기
  - 프로세스를 하나씩 중단 시킬 때마다 탐지 알고리즘으로 데드락을 탐지하면서 회복시키기
  - 자원 선점을 통해 해결하기(교착 상태에 있는 프로세스가 점유하고 있는 자원을 선점하여 다른 프로세스에 할당)

🔮 식사하는 철학자 문제 에서, DeadLock이 어떨 때 발생하는지 설명하고, 이를 해결하기 위한 방법을 제시해 주세요.

"식사하는 철학자 문제"
다섯 명의 철학자가 원탁에 앉아 있고, 각자의 앞에는 스파게티가 있고 양옆에 포크가 하나씩 있다. 그리고 각각의 철학자는 다른 철학자에게 말을 할 수 없다. 이때 철학자가 스파게티를 먹기 위해서는 양 옆의 포크를 동시에 들어야 한다.

모든 철학자가 방에 입장한 후, 각자의 왼쪽포크를 5명이 모두 드는 경우에 DeadLock이 발생합니다.

1) 5명 모두 자신의 왼쪽 포크를 들고 있으므로 '점유대기'

2) 남이 포크를 뺏어주지 않음 '비선점'

3) 서로 오른쪽 포크를 놓기만을 기다림 '환형대기'

4) 각 포크에 대해 한 사람만 들 수 있음 '상호배제'

이 문제를 해결하기 위해서, 카운팅 세마포어를 사용합니다.

방에 대한 입장 정원을 카운팅 세마포어로 설계해, 최대 4명만 들어온다면 방 안의 모든 사람들이 왼쪽 포크를 든다 하더라도 DeadLock이 일어나지 않습니다.

🔮 뮤텍스가 무엇인가요?

오직 1개만의 스레드(또는 프로세스)만 접근 할 수 있다.
1개만 접근 가능하므로 반드시 락을 획득한 프로세스가 락을 해제해야 한다.

프로세스 혹은 스레드 간의 통신 시에 shared memory 등을 쓰는 경우 하나의 자원에 두 개 이상의 프로세스 혹은 스레드가 접근하는 경우에 경쟁 상태 (race condition) 가 발생합니다. 이를 제어하기 위해 스레드는 뮤텍스를 사용하고, 프로세스에서는 세마포어를 사용한다.

뮤텍스 (mutex) 는 상호 배제 (mutual exclusive) 라고도 하며, 임계 영역 (Critical Section) 을 가진 스레드의 Running Time 이 서로 겹치지 않도록 각각 단독으로 실행하게 하는 기술입니다.

🔮 세마포어가 무엇인가요? 뮤텍스와의 차이점은요?

뮤텍스와 세마포어는 프로세스 동기화를 위한 상호배제 기법입니다. 이 중 뮤텍스는 락을 가진 하나의 프로세스만 임계 영역에 접근할 수 있게 하는 동기화 방식입니다. 이 방식을 사용하면 임계 영역에 접근하려는 프로세스는 락을 얻기 위해 대기 상태가 되지 않고, 반복문을 돌며 임계 영역에 접근 가능한지 확인하게 되는데, 이러한 현상을 스핀락이라고 합니다.

반면에 세마포어는 임계 영역에 특정 개수의 프로세스가 접근할 수 있게 제어하는 방식입니다. 임계 영역에 접근이 불가능하면 해당 프로세스는 대기 상태로 들어가고, 이후 임계 영역을 처리 중이던 프로세스가 임계 영역을 나가면서 대기 상태인 프로세스를 깨우게 됩니다.

🔮 멀티 스레드 프로그래밍의 장점은 무엇입니까?

프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
스레드 간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는 것이 아니라 전역 변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap(힙) 영역을 이용하여 데이터를 주고받을 수 있습니다. 그렇기 때문에 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단합니다.

심지어 스레드의 context switch(문맥 교환)는 프로세스 context switch 와는 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠릅니다. 따라서 시스템의 성능이 향상되고 자원 소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축됩니다. 이러한 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠 수행하는 것입니다.

🔮 그렇다면 멀티 스레드 프로그래밍의 단점은 무엇입니까? 주의할 점이 있을까요?

멀티 프로세스 기반으로 프로그래밍할 때는 프로세스 간 공유하는 자원이 없기 때문에 동일한 자원에 동시에 접근하는 일이 없었지만, 멀티 스레딩을 기반으로 프로그래밍할 때는 이 부분을 신경 써줘야 합니다. 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있습니다.
그렇기 때문에 멀티스레딩 환경에서는 서로 한 프로세스 내의 자원을 공유하므로 동기화 를 항상 고려해야 합니다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤하는 것입니다. 하지만 이로 인해 병목현상 / 데드락이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높습니다. 그러므로 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 합니다.

🔮 Python에서의 멀티 프로세스에 대해서도 설명해주시겠어요?

파이썬은 GIL(Global Interpreter Lock) 정책을 사용합니다. 하나의 프로세스 안에 모든 자원의 Lock을 글로벌하게 관리함으로써 한 번에 하나의 쓰레드만 자원을 컨드롤해 동작하도록 합니다. GIL 덕분에 자원 관리를 더 쉽게 구현할 수 있으나, CPU 작업이 많은 경우에는 멀티 쓰레드를 사용하더라도 속도 개선을 느끼지 못할 수 있습니다.

I/O 동작이 많은 프로그램에서는 멀티 쓰레드만으로 큰 효과를 얻을 수 있습니다.

CPU 동작이 많은 경우, 멀티 프로세스를 이용해서 병렬적으로 수행이 가능합니다.

🔮 CPU 스케줄링이 무엇인가요?

우선 스케줄링에 대해 말해보겠습니다. 여러 프로세스가 있고, 이 프로세스들이 자원(CPU 등)을 동시에 요구하는데 자원이 제한되어있습니다. 그러면 제한된 자원들을 어떻게(순서를 할당하는 등) 나눠줄 것인지에 대한 정책을 말합니다.

CPU 하나는 동시에 여러 개의 프로세스를 처리할 수 없기 때문에, 한 순간에 어떤 프로세스가 CPU를 사용할 수 있게 하는지 결정하는 정책입니다.

🔮 CPU 의 성능 척도엔 무엇이 있나요?

CPU Utilization(이용률) : CPU가 놀지 않고 일한 시간
Throughput(처리량) : 단위 시간당 처리량, CPU가 얼마나 많은 일을 했는지
Turnaround Time(소요시간, 반환시간) : CPU 사용 시간 + 기다린 시간 (짧을수록 좋다)
Waiting Time(대기시간) : 프로세스가 Ready Queue에서 기다린 전체 시간의 합
Response Time(응답시간) : 프로세스가 Ready Queue에 들어가서 최초로 CPU 얻기까지 걸린 시간

🔮 선점, 비선점이 무엇인가요?

선점 방식은, 특정 프로세스가 실행 중이더라도 CPU 할당을 뺏어 다른 프로세스에 부여할 수 있는 방식입니다.

System Call, Time Quantum, Interrupt 등에 의해 선점이 일어납니다.

비선점 방식은, 특정 프로세스가 실행 중이면 끝나기 전까지는 절대로 다른 프로세스에게 CPU를 뺏기지 않는 방식입니다.

🔮 커널 수준 스레드와 사용자 수준 스레드의 차이점이 무엇입니까? 🌟

코드가 실행되는 모드의 차이입니다. 커널은 커널에서 관리하는 자원을 보호하기 위해 내부적으로 사용자 모드와 커널 모드로 구분합니다. 이와 마찬가지로 스레드도 스레드를 관리하는 주체에 따라 구분됩니다.

사용자 수준 스레드(user-level thread)는 사용자가 라이브러리를 이용해 생성 및 관리합니다.

커널은 이러한 스레드의 존재를 인식하지 못합니다.

커널 수준 스레드(Kernel-level thread)는 커널이 스레드를 생성 및 관리합니다.

멀티 스레드 환경에서 사용자 수준 스레드와 커널 레벨 스레드는 3가지 관계를 맺을 수 있습니다.

1. 다대일 모델

사용자 수준 스레드 n개에 커널 수준 스레드 1개가 매핑되어 사용자 수준에서 스레드를 관리합니다. 하나의 사용자 수준 스레드에서 시스템 콜을 호출하면, 나머지 사용자 수준 스레드는 커널 레벨에 접근할 수 없으므로 멀티 코어의 병렬성을 이용할 수 없습니다.

사용자 수준 스레드가 시스템 콜을 호출하면, 해당 스레드를 실행 중인 프로세스가 커널 모드로 전환됩니다. 만약 호출된 시스템 콜이 블록킹 타입이라면, 전체 프로세스(즉, 모든 사용자 수준 스레드)가 블록될 수 있습니다. 이는 커널이 사용자 수준 스레드를 개별적으로 인식하지 못하기 때문입니다. 커널은 사용자 수준 스레드를 개별적인 실행 단위로 보지 않고, 전체 프로세스를 하나의 실행 단위로 간주합니다. 따라서, 하나의 스레드가 시스템 콜로 인해 블록되면, 커널은 전체 프로세스를 블록합니다.

2. 일대일 모델

사용자 수준 스레드 1개에 커널 수준 스레드 1개가 매핑됩니다. 이 방식은 하나의 사용자 수준 스레드에서 시스템 콜을 호출하면, 다른 사용자 수준 스레드가 모두 실행되지 않는 다대일 모델의 단점을 해결합니다. 하지만 사용자 수준 스레드 수만큼 커널 수준 스레드가 생성되므로 성능 저하가 일어날 수 있습니다.

3. 다대다 모델

사용자 수준 스레드 n개에 커널 수준 스레드 m개가 매핑됩니다. (m <= n)

이 방식은 다대일 모델과 일대일 모델의 장점을 포함하지만, 구현이 어렵다는 단점이 있습니다.

🔮 스레드는 프로세스 단위라면서 어떻게 운영체제 레벨인 커널 안이 아니라 커널 밖에서 생성하여 이용할 수 있나요? 스레드가 커널 밖에 있다구요?

이것은 실제 물리적으로 정말 커널 밖에 있고 그런 것이 아니라, 전부 커널 내부에 있지만 커널의 통제권 안에 있는지 차이인 것입니다.

커널에는 '커널 모드'와 '사용자 모드' 두 가지가 있고, 여기서 '사용자 모드'에서 동작하는 스레드가 사용자 수준 스레드인 것입니다.

입출력 인터럽트가 발생하면 커널은 '사용자 모드'가 되어서 사용자 수준 스레드의 응답을 기다립니다. 사용자 수준 스레드의 응답이 오면 다시 '커널 모드'로 변환되어 이어서 커널 스레드가 일 처리를 하게 되는 것입니다.

출처 https://helloinyong.tistory.com/293

🔮 스레드는 프로세스 내 작업 단위인데, 사용자 수준의 스레드는 어떻게 프로세스 없이 스레드만 생성할 수 있나요?

사용자 수준의 스레드는 생성할 때마다 프로세스 단위로 생성을 하기 때문에, 프로세스 겸 스레드라고 볼 수 있습니다.
이러한 특징 때문에 사용자 수준의 스레드는 커널 스레드와 다르게 멀티 스레드 방식으로 동작하기가 어렵습니다.

출처 https://helloinyong.tistory.com/293

🔮 DMA (Direct Memory Accecc)에 대해 설명해 주세요.

데이터의 이동에는 CPU의 개입이 필요합니다. 그러므로 다량의 데이터가 이동하는 과정에서는 CPU에 많은 부하가 걸리게 됩니다. 따라서 CPU를 거치지 않고 직접 데이터를 전송하는 방법인 DMA를 사용합니다.

🔮 한컴오피스 '한글'을 클릭 후, 빈 화면에 커서가 깜빡이고 있습니다. 이 때, 'hello world!' 를 작성하면 컴퓨터 내부에서 어떤 일이 발생할까요?

키보드에서 사용자 입력이 들어오면 키보드 컨트롤러가 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 키가 입력되었다는 사실을 알려줍니다.
CPU는 현재 수행중이던 작업의 상태를 저장하고 인터럽트 요청을 처리하기 위해 OS내에 정의된 키보드 인터럽트 처리 루틴을 찾아갑니.
키보드 인터럽트 처리 루틴은 키보드로 부터 입력받은 내용을 메모리의 특정 부분에 저장해 해당 프로그램에게 키보드 입력이 들어왔음을 알리며 인터럽트 처리를 완료합니다.
인터럽트 처리가 끝나면 인터럽트가 발생하기 직전 상태를 복구시켜 중단되었던 작업을 재개합다.

🔮 프로세스 간 통신하는 방법에 대해 알려주세요. 장단점도 알려주시구요. 메세지 전달 시 딜레이에 대한 부분은 단점으로 대답해주세요.

프로세스는 고유한 메모리 영역을 가지므로 프로세스 간 자원을 공유해야 할 때, IPC를 해야 합니다. IPC는 Inter Process Communication 의 약어로, 프로세스 간에 자원을 공유하는 방식을 나타냅니다.

1. 파이프(Pipes)
- 장점: 단순하고 사용하기 쉽습니다. 부모-자식 프로세스 간의 통신에 적합합니다.
- 단점: 단방향 통신만 가능하고, 양방향 통신을 위해서 읽기 파이프와 쓰기 파이프를 각각 생성해야 합니다. 파이프를 생성한 프로세스들 사이에서만 사용할 수 있습니다. 메시지 전달 시 딜레이가 발생할 수 있습니다.

2. 메시지 큐(Message Queues)
- 장점: 복잡한 데이터 구조를 전달할 수 있으며, 시스템 큐에 메시지를 저장하기 때문에 비동기 통신이 가능합니다.
- 단점: 큐 관리가 필요하며, 메시지 전달에 딜레이가 발생할 수 있습니다.

3. 공유 메모리(Shared Memory)
- 장점: 데이터를 파일이나 메시지 형태로 변환할 필요가 없어 빠른 데이터 전송이 가능합니다.
- 단점: 동기화 문제가 발생할 수 있으며, 메모리 관리가 필요합니다. 메시지 전달 시 딜레이는 상대적으로 적지만 여전히 발생할 수 있습니다.

4. 소켓(Sockets)
- 장점: 네트워크를 통한 프로세스 간 통신에 적합하며, 다양한 프로토콜을 사용할 수 있습니다.
- 단점: 구현이 복잡하며, 네트워크 지연으로 인한 메시지 전달 딜레이가 발생할 수 있습니다.

5. 세마포어 (Semaphores)

접근하는 프로세스를 제어해서 공유 자원을 관리합니다.

🔮 인터럽트에 대해서 설명해 주세요

Trap 은 소프트웨어적으로 발생하는 인터럽트를 가리키는 명칭으로 알고 있습니다.

인터럽트는 `Ctrl + C`를 누를때 처럼 하드웨어에서 발생하는 신호를 의미합니다. 이와 같이 인터럽트는 장치 내에서 예외상황이 발생하여 처리가 필요할 때 사용하는 것을 말합니다. `interrupt vector`에 처리해야 하는 동작을 가리키는 주소를 기록해서 관리하게 됩니다. 인터럽트는 프로세서가 현재 실행 중인 작업을 중단하고, 인터럽트에 대한 처리를 우선적으로 수행하도록 합니다.

Segmentation fault : 잘못된 포인터 참조, 배열 범위 오접근, 해제된 메모리 접근, 포인터 오사용

하드웨어 인터럽트

각종 하드웨어 장치들이 CPU에게 서비스를 받아야 하는 경우 발생.
인터럽트 라인을 통해 CPU에게 전달
예: 키보드 입력, 타이머 신호 등

소프트웨어 인터럽트

프로그램이 잘못된 연산을 수행할 경우 이에 대한 적절한 처리를 위해 사용되는 예외 상황 처리
자신이 작성하지 않은 코드를 운영체제로부터 서비스를 받기 위해 발생시키는 시스템콜 (이를 Trap이라고 합니다.)
예: System Call, Segmentation fault, 0으로 나누기

🔮 DMA 가 필요한 이유에 대해서 설명해 주세요

모든 메모리 접근 연산이 CPU에 의해서만 이루어질 경우, 주변 장치가 메모리 접근을 원할 때마다 인터럽트를 통해 CPU 업무가 방해를 받게 되어 CPU의 사용의 효율성이 떨어지는 문제가 발생합니다.
DMA를 사용하면 로컬 버퍼에서 메모리로 읽어오는 작업을 CPU가 담당하는 것이 아니라, DMA가 대행함으로써 CPU는 원래 하던 작업을 멈추고 인터럽트를 처리할 필요가 없어집니다.
DMA는 일종의 컨트롤러로서 CPU가 주변 장치들의 메모리 접근 요청에 의해 자주 인터럽트당하는 것을 막아주는 역할을 합니다.

🔮 운영체제는 다중 유저가 하나의 컴퓨터의 자원을 사용할 때 자원의 '보호'를 합니다. 어떠한 보호를 하는지 설명하고 시나리오를 설명해 주세요.

크게 세 부분으로 나눌 수 있습니다.

[1] 입출력장치 보호

A가 프린터에 인쇄를 요청하여 프린터가 A의 작업을 수행 중일 때, B가 프린터 요청을 하면 A의 작업 이후에 B의 작업을 수행해야합니다.
이와 관계된 특권 명령(in, out) 명령은 에플리케이션에서 하는 것이 아닌 운영체제가 수행합니다.

[2] 메모리 보호

A가 실행한 프로세스는 B가 실행한 프로세스의 메모리를 읽거나 쓰지 못하도록 막습니다.
CPU와 메모리 사이에 MMU(Memory Management Unit)를 두어서 base, limit 레지스터 값을 읽어서 해당 메모리 부분을 넘지 못하도록 합니다.

[3] CPU 보호

while ( n = 1) 과 같이 실수 혹은 고의로 하나의 프로세스가 CPU시간을 독점하는 일을 방지해야합니다.
일정 주기로 CPU에게 타이머가 인터럽트를 걸도록 회로를 설계합니다. 인터럽트를 걸면 CPU는 지금 하는 일을 멈추고 인터럽트 서비스 루틴으로 넘어갑니다. 이 코드에는 CPU 시간이 다른 모든 프로세스에게 골고루 가는지, 한 프로세스에게 집중되는지 체크합니다.

🔮 synchronized에 대해 아는 바를 전부 얘기해 주세요.

멀티스레딩 상황의 제어를 위해 synchronized를 적극 활용.
어떤 멀티스레드 상황이었는지, 왜 synchronized를 썼는지, synchronized가 mutex를 어떻게 보장하는지
내부적으로 어떻게 구현했는지, 다른 방법은 없었는지, 다른 방법과 synchronized를 비교했을 때의 장단점은 무엇인지,
특정 상황을 제시한 뒤 이 경우라면 어떻게 적용시킬 수 있을 것인지

🔮 함수호출과 시스템 콜의 차이에 대해서 설명해 주세요.

함수호출은 자신이 작성한 함수 혹은 라이브러리에 저장된 함수를 호출하는 것이구요,
시스템 콜은 운영체제에 정의된 함수를 호출하는 것입니다.

🔮 인터럽트와 시스템 콜의 차이에 대해서 설명해 주세요.

인터럽트는 하드웨어나 운영 체제에 의해 자동으로 발생하는 시스템 중단 신호이며, 시스템 콜은 프로그램이 운영 체제의 서비스를 요청하기 위해 의도적으로 발생시키는 소프트웨어 인터럽트입니다.

읽기자료 보기

🔮 스레드와 멀티스레드에 대해서 설명해 주세요.

스레드와 멀티스레드 주제는 면접에서 정말 중요한 주제입니다. L사의 경우 얼마나 써봤는지 꼬리 질문으로 등장한 전력이 있습니다. 요약 글로는 충분하지 않을 것입니다. C 수준이 아니더라도 Java, Python 언어 레벨에서 돌려보면서 살펴볼법한 중요한 주제입니다. 자세하게 알고싶다면 Covenant. 파이썬 코드로 보는 멀티스레드를 참고하세요!

스레드
- 프로세스 내에 독립적인 실행 흐름 단위입니다.
- 스레드는 프로세스에 할당된 메모리, CPU 등의 자원을 사용합니다.
- Stack만 별도의 메모리를 할당하며 Code, Data, Heap은 쓰레드간 공유합니다.
- 동기화 문제를 고려해서 구현해야합니다.
멀티 스레드
- 한 개의 단일 어플리케이션(응용프로그램)은 여러 스레드로 구성 후 작업해야 합니다.
- '한글'에서 싱글 스레드를 사용한다면 프린트를 하는 경우 문서 수정은 불가능할 것입니다.
- 프로세스를 생성하는 것은 고비용입니다. 스레드를 사용한다면 시스템 자원 소모 감소 및 처리량 증가시킬 수 있습니다.
- 스레드는 이미 공유하고 있기에 프로세스를 사용했다면 생길 통신 부담을 감소해줍니다.
- 멀티 스레드를 사용할 경우 디버깅이 어렵습니다. 자원 공유 문제 (일명 교착상태) 가 생깁니다.

🔮 Deadlock의 발생 조건과 Decklock을 깨기 위해서 어떻게 해야 하나요?

데드락이란?

둘 이상의 프로세스(스레드)가 공유 자원을 획득하지 못해 더 이상 실행할 수 없고 영원히 기다려야하는 상황을 말합니다.

데드락 발생 조건

다음 네가지 조건을 모두 만족해야 Deadlock이 발생합니다.

상호배제 (Mutual exclusion)
- (1) 여러 스레드가 동시에 사용하지 못하고 (2) 개수가 제한적이라면 상호배재 조건입니다.
- 상호배제 상황 예시. 데이터베이스 연결, 세마포어
점유 대기 (Lock & Wait)
- 스레드가 자원을 점유하면 작업을 마칠때까지 이미 점유한 자원을 내놓자는 것을 의미합니다.
선점 불가 (No Preemption)
- 스레드가 다른 스레드로부터 자원을 빼앗지 못하는 것을 의미합니다.
- 자원을 점유한 스레드가 자원을 내놓아야지 다른 스레드가 자원을 획득할 수 있습니다.
순환 대기 (Circular wait)
- 각 스레드가 필요한 자원이 서로 다른 스레드에 있는 상황입니다.
- 그래프로 그릴시 원형으로 보입니다.

데드락을 깨는 방법

상호배제 피하는 법
- 동시에 사용해도 괜찮은 자원을 사용합니다.
- 자원의 수를 스레드 수 이상으로 늘립니다.
- 자원을 점유하기 전 필요한 자원이 모두 있는지 확인합니다.
잠금 & 대기 피하는 법
- 대기 하지 않는 전략을 사용합니다.
- 자원을 점유하기 전에 필요한 자원이 있는지 확인하고 자원이 부족한 경우 가지고있는 자원을 모두 내놓습니다.
- 문제점
  - 기아 (Starvation): 한 스레드가 계속해서 필요한 자원을 점유하지 못한다. 점유하고자 하는 자원이 한 번에 획득하기 어려운 경우 이 상황이 두드러집니다.
  - 라이브락 (Livelock): 여러 스레드가 동시에 접근하기에 자원을 획득했다가 내놓는 상황을 반복합니다.
선점 불가 피하는 법
- 자원이 필요한 경우 다른 스레드의 자원을 가져오는 방법입니다.
- 자원이 필요한 스레드가 자원을 소유한 스레드에게 자원을 요청합니다.
- 자원을 소유한 스레드가 다른 자원을 기다리고 있다면 자신이 소유한 자원을 모두 풀어주고 처음부터 시작합니다.
순환 대기 피하는 법
- 데드락 방지하는 흔한 전력입니다.
- 스레드에게 순서대로 자원을 할당하는 방식입니다.
- 혹은 자원들에 순서를 준 뒤에 각 스레드들이 자원을 요청할 때 우선도가 증가하는 순서로 요청하게 하는 것입니다. 요청 자원보다 우선도가 큰 자원을 전부 해제한 경우에만 자원 요청을 허가하는 방식입니다.
- 문제점
  - 자원의 할당 순서와 사용 순서가 다를 수 있습니다.
  - 자원에 순서를 할당하기 어렵습니다.

🔮 OS에서 프로세스는 CPU와 메모리 사이에 MMU (Memory Management Unit) 를 두어서 다른 프로세스에 접근하지 못합니다. 그러나 GDB와 같은 디버거의 경우 다른 프로세스에 접근하여 절대적 메모리 주소와 값을 읽어올 수 있습니다. 어떻게 가능한지 동작 방식에 대해서 설명하세요.

GDB와 같은 디버거가 다른 프로세스의 메모리에 접근할 수 있는 능력은 운영 체제의 특별한 메커니즘을 통해 가능합니다. 디버거는 특정 시스템 호출과 권한을 사용하여 다른 프로세스의 메모리 공간에 접근하고 조작할 수 있습니다.

1. 시스템 호출: 디버거는 `ptrace`와 같은 시스템 호출을 사용하여 대상 프로세스에 접근하고, 해당 프로세스의 실행을 제어합니다.

2. 운영체제의 권한 부여: 디버거는 운영체제로부터 특별한 권한(예: root 권한)을 부여받아, 보안 매커니즘을 우회하고 다른 프로세스의 메모리를 읽거나 쓸 수 있습니다.

3. 메모리 읽기/쓰기: 디버거는 대상 프로세스의 메모리 주소를 참조하고, `read`와 `write` 작업을 통해 변수의 값과 상태를 검사하거나 수정할 수 있습니다.

4. 프로세스 제어: 디버거는 대상 프로세스의 실행을 일시 중지, 재개, 단계별 실행 등을 조작하며, 브레이크포인트 설정과 같은 디버깅 작업을 수행할 수 있습니다.

이러한 방식으로, 디버거는 개발자가 프로그램의 버그를 찾고 수정하는 데 필수적인 도구로 작용하며, 프로그램의 동작을 자세히 조사할 수 있게 해줍니다.

🔮 이중모드의 특징과 장점에 대해 설명하세요

이중 모드(Dual Mode) 운영은 운영 체제가 사용자 모드(User Mode)와 커널 모드(Kernel Mode)의 두 가지 다른 실행 상태를 제공하는 시스템입니다. 이 방식은 시스템의 안정성과 보안을 강화하는 데 중요한 역할을 합니다.

1. 사용자 모드와 커널 모드: 사용자 모드에서는 제한된 접근 권한으로 애플리케이션을 실행하고, 커널 모드에서는 운영체제가 시스템 자원과 하드웨어를 직접 제어할 수 있습니다.
2. 보안 강화: 이중 모드를 통해 사용자 프로세스가 시스템 자원에 대한 무제한 접근을 막아, 운영 체제와 시스템의 보안을 강화합니다.
3. 안정성 향상: 잘못된 사용자 프로그램이 시스템 전체에 영향을 미치는 것을 방지하여, 전체 시스템의 안정성을 향상시킵니다.
4. 자원 관리의 효율성: 커널 모드에서 운영 체제는 하드웨어 자원을 효율적으로 관리하고, 사용자 모드에서는 애플리케이션의 실행을 관리합니다.

🔮 64비트와 32비트 차이는 무엇인가요?

64비트와 32비트 아키텍처의 차이는 주로 CPU가 처리할 수 있는 데이터의 양과 메모리 주소 지정 방식에서 나타납니다.

1. 메모리 주소 지정 능력: 64비트 시스템은 32비트 시스템보다 훨씬 더 많은 메모리를 직접 주소 지정할 수 있으며 (32비트는 최대 4GB, 64비트는 16EB까지), 이는 대용량 메모리를 효율적으로 활용할 수 있게 합니다.
2. 데이터 처리 능력: 64비트 프로세서는 한 번에 64비트의 데이터를 처리할 수 있어, 32비트 프로세서에 비해 더 큰 데이터를 더 빠르게 처리할 수 있습니다.
3. 성능 개선: 64비트 아키텍처는 더 많은 레지스터와 더 넓은 데이터 버스를 제공함으로써, 성능과 효율성을 개선합니다.
4. 소프트웨어 호환성: 64비트 시스템은 32비트 애플리케이션을 실행할 수 있지만, 그 반대는 불가능하며, 최신 소프트웨어와 운영체제는 점점 64비트 최적화로 이동하고 있습니다.

전반적으로, 64비트 아키텍처는 더 많은 메모리 주소 지정 능력과 더 높은 데이터 처리 능력을 통해 현대 컴퓨팅 환경에서의 성능 요구사항을 충족시키는 데 중요합니다.

+ 포인터

64비트 시스템에서는 32비트 애플리케이션을 호환 모드로 실행할 수 있지만, 이 경우 포인터도 32비트로 제한됩니다.

32비트 시스템에서는 64비트 포인터를 사용할 수 없습니다.

🔮 마우스로 한글 바로가기를 클릭했을 때, 컴퓨터에서 일어나는 모든 일에 대해서 설명하세요.

Points: Interrupt, Process Scheduling, Disk Scheduling, Swapping, Thread

마우스로 한글 바로가기(단축 아이콘)를 클릭할 때 컴퓨터에서 일어나는 과정은 다음과 같습니다

1. Interrupt (인터럽트): 사용자가 마우스로 한글 바로가기를 클릭하면, 마우스 클릭은 인터럽트로 시스템에 전달됩니다. 이 인터럽트는 현재 CPU가 수행 중인 작업을 일시 중단시키고, 운영체제가 사용자의 입력 처리를 시작하게 합니다.

2. Process Scheduling (프로세스 스케줄링): 운영체제는 프로세스 스케줄러를 사용하여 한글 프로그램을 실행시키기 위한 새로운 프로세스를 생성하고, 이 프로세스에 CPU 시간을 할당합니다.

3. Disk Scheduling (디스크 스케줄링): 한글 프로그램의 실행 파일과 필요한 데이터는 디스크에서 읽혀져야 합니다. 이때 디스크 스케줄러가 디스크 읽기/쓰기 요청을 관리하여, 필요한 파일들이 효율적으로 메모리로 로드됩니다.

4. Swapping (스와핑): 메모리에 충분한 공간이 없는 경우, 스와핑을 통해 현재 메모리에 있는 다른 프로세스의 데이터를 잠시 디스크로 옮기고, 한글 프로그램을 위한 공간을 확보합니다.

5. Thread (스레드): 한글 프로그램은 여러 스레드를 생성하여 다양한 작업을 동시에 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 사용자 인터페이스 처리, 문서 로딩, 백그라운드 작업 등이 별도의 스레드에서 실행될 수 있습니다.

이 과정은 사용자의 간단한 마우스 클릭 하나에도 여러 복잡한 시스템 상호작용이 일어나는 것을 보여줍니다. 운영체제, 하드웨어, 소프트웨어 간의 긴밀한 협력을 통해 사용자 입력은 적절한 응답으로 변환됩니다.

🔮 멀티태스킹, 멀티프로세스, 멀티프로그래밍, 멀티스레드 각각 차이점은?

모두 컴퓨터에서 여러 작업을 동시에 처리하는 방법들이지만, 각각의 개념과 사용 상황에는 명확한 차이가 있습니다.

멀티태스킹은 여러 작업의 동시 실행처럼 보이게 하는 기술에 대한 개념입니다.
멀티프로세스는 여러 독립된 프로세스가 동시에 실행되는 경우와, 단일 응용 프로그램이 여러 프로세스로 구성된 경우를 의미합니다.
멀티프로그래밍은 메모리에 여러 프로그램을 동시에 적재해 CPU가 이 중 하나를 선택할 수 있도록, 효율적으로 작업을 선택하게 하는 것입니다.
멀티스레딩은 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드가 병렬로 실행되는 것을 말합니

Reference

https://github.com/brave-people/brave-tech-interview/blob/main/contents/os.md

https://minhamina.tistory.com/235

https://juran-devblog.tistory.com/206

https://hoons-dev.tistory.com/95