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킴옌의 개발 블로그

[운영체제] 2.5 운영 체제의 자원 관리 기능

4 분 소요

‘운영체제와 정보기술의 원리’를 읽고 정리한 글입니다.

운영 체제의 가장 핵심적인 기능

  • 자원을 효율적으로 관리하는 것.

자원

  • 하드웨어 자원 : CPU, 메모리, 주변 장치 및 입출력 장치 등
  • 소프트웨어 자원

CPU를 관리하는 방법

  • 일반적인 컴퓨터에는 CPU가 하나밖에 없지만 프로세스는 여러 개가 동시에 실행된다. 그러므로, 매 시점 어떠한 프로세스에게 CPU를 할당해 작업을 처리할 것인지를 결정하는 필요하다.

    ➜ CPU 스케쥴링

CPU 스케쥴링

  • 목표 : CPU를 가장 효율적으로 사용하면서도, 특정 프로세스가 불이익을 당하지 않도록 하는 것.

  • 대표적인 CPU 스케쥴링 기법

    ✓ 선입선출 (FCFS : First Come First Served)

    • 먼저 CPU를 사용하기 위해 도착한 프로세스를 먼저 처리해주는 방식

    • 먼저 CPU를 요청한 프로세스가 작업을 완료할 때까지 다른 프로세스들이 CPU를 이용하지 못함

    • 효율적인 사용 측면에서는 문제가 없지만, 전체 시스템 입장에서는 비효율적인 결과를 초래할 가능성이 있음

      예) 장시간 CPU를 사용해야하는 프로세스가 먼저 도착하고, 짧은 시간 동안 수행 가능한 프로세스들이 나중에 도착한 경우

    ✓ 라운드 로빈 (Round Robin)

    • 선입선출 기법의 단점을 보완하고자 고안된 기법

    • CPU를 한 번 할당받아 사용할 수 있는 시간을 일정한 고정된 시간으로 제한

      긴 작업을 요하는 프로세스가 CPU를 할당받더라도 정해진 시간이 지나면 CPU를 내어놓고 CPU의 서비스를 기다리는 줄의 제일 뒤에가서 기다려야한다.

      일반적으로 1회 할당 시간은 수 밀리 세컨드(ms) 정도의 단위를 사용한다.

    ✓ 우선순위 (Priority)

    • 수행 대기 중인 프로세스들에게 우선순위를 부여하고,
      우선순위가 높은 프로세스에게 CPU를 먼저 할당

      ‘시스템 내의 프로세스 중에는 상대적으로 더 중요한 프로세스가 있을 수 있다.’
      우선순위 스케쥴링의 철학

    • 기다린 시간이 늘어날수록 우선순위를 점차 높여주는 방안도
      우선순위 스케쥴링에 활용 가능

메모리를 관리하는 방법

메모리

  • CPU가 직접 접근할 수 있는 컴퓨터 내부의 기억 장치
  • 프로그램이 CPU에서 수행되려면 해당 부분이 메모리에 올라가 있어야 한다.

  • 메모리 관리를 위해 운영 체제는 메모리의 어느 부분이 어떤 프로그램에 의해 사용되고 있는지를 유지하게 된다. 이러한 정보는 주소(address)를 통해 관리된다.

  • 운영 체제는 프로그램에게 메모리가 필요할 때 할당하고,
    더 이상 필요하지 않게 될 때 회수한다.

    운영 체제는 이를 잘 판단해 전체 메모리 공간이 효율적으로 사용될 수 있도록 해야 한다.

  • 운영 체제는 각 프로세스가 자신의 메모리 영역만을 접근할 수 있도록 관리해야한다.

물리적 메모리를 관리하는 방식

✓ 고정 분할 (fixed partition) 방식

  • 물리적 메모리를 몇 개의 영구적인 분할로 나누는 방식

  • 나뉜 각각의 분할에는 하나의 프로그램이 적재

  • 동시에 메모리에 적재되는 최대 프로그램의 수가 분할 개수로 한정

  • 분할의 크기보다 큰 프로그램은 적재가 불가능

    메모리의 효율적인 사용 측면에서 바람직하지 않다.

    분할이 고정적이기 때문에 분할의 크기보다 작은 프로그램이 적재되는 경우, 남는 영역이 발생하게 된다.
    ➜ 내부 조각 (internal fragmentation)
    분할 영역에 올라온 프로그램에 의해서도 사용되지 않고 다른 프로세스에게도 할당될 수 없으므로 비효율적으로 낭비되는 공간

✓ 가변 분할 (variable partition) 방식

  • 매 시점 프로그램의 크기에 맞게 메모리를 분할해서 사용하는 방식

    분할의 크기가 크기 때문에 큰 프로그램의 실행이 제한되는 문제는 발생하지 않는다.

  • 물리적 메모리 크기보다 더 큰 프로그램의 실행은 여전히 불가능

  • 분할의 크기, 개수가 동적으로 변하므로 기술적 관리 기법이 필요

  • 내부 조각은 발생하지 않지만 외부 조각이 발생할 수 있음

    외부 조각 (external fragmentation)
    프로그램에게 할당되지 않은 메모리 영역이지만 그 크기가 작아 프로그램을 올리지 못하는 메모리 영역

    예) 프로그램 A: 크기 100 ⇒ 메모리에 100만큼의 영역을 할당 받음
    ​ (A 실행 중)
    ​ 프로그램 B : 크기 50 ⇒ A의 영역 다음부터 메모리 50 할당 받음
    ​ (A 작업 완료)
    ​ 프로그램 C : 크기 80 ⇒ A의 영역에 할당 받음 // 20의 빈공간 발생
    ​ 프로그램 D : 크기 40
    ​ // 크기가 20인 공간이 비어 있지만, 프로그램 D가 실행되기엔 충분하지 못한 공간
    ​ ➜ 외부 조각

✓ 가상 메모리 (virtual memory) 방식

  • 최근의 거의 모든 컴퓨터 시스템에서 사용하는 메모리 관리 기법

  • 물리적 메모리보다 더 큰 프로그램이 실행되는 것을 지원

  • 실행될 수 있는 프로그램의 크기는 가상 메모리 크기에 의해 결정

    모든 프로그램은 물리적 메모리와는 독립적으로 주소가 0부터 시작하는 자신만의 가상 메모리를 갖게 된다.

    운영 체제는 가상 메모리의 주소를 물리적 메모리 주소로 매핑하는 기술을 이용해 주소를 변환시킨 후, 프로그램을 물리적 메모리에 올리게 된다.

  • 현재 사용되고 있는 부분만 메모리에 올리고, 나머지는 하드 디스크와 같은 보조기억장치에 저장해주었다가 필요할 때 취하는 방식

    프로그램의 전체가 항상 동시에 실행되는 것은 아니기 때문이다.

  • 프로그램을 구성하는 주소 공간은 페이지라는 동일한 크기의 작은 단위로 나뉘어 물리적 메모리와 스왑 영역에 일부분 저장
    ➜ 페이징 (paging) 기법
    스왑 영역 (swap area)
    이 때 사용되는 보조 기억 장치의 영역

주변 장치 및 입출력 장치를 관리하는 방법

  • 인터럽트 (inter-rupt)라는 메커니즘을 통해 관리

인터럽트

  • 주변 장치들이 CPU의 서비스가 필요한 경우에 발생시키는 신호

    CPU는 평소에 CPU 스케쥴링에 따라 자신에게 주어진 작업을 수행하고 있다가 인터럽트가 발생하면 잠시 멈추고 인터럽트에 의한 요청 서비스를 수행

  • 운영 체제는 인터럽트를 처리한 후 원래 수행하던 작업으로 돌아오기 위해 인터럽트 처리 직전에 수행중이던 작업의 상태를 저장해둔다.

  • 운영 체제는 인터럽트 종류마다 서로 다른 인터럽트 처리 루틴을 가지고 있다.

    인터럽트 처리 루틴

    • 인터럽트가 발생했을 때 해주어야 할 작업을 정의한 프로그램 코드
    • 운영 체제 커널 내에 존재하는 코드
    • CPU 스케쥴링, 메모리 관리 루틴 등 다양한 기능을 위한 커널 코드 중 일부분

컨트롤러

  • 각 장치에서 일어나는 업무에 대한 관리를 위한 일종의 작은 CPU

  • 해당 장치에 대한 업무 처리하고 이를 메인 CPU에 인터럽트를 발생시켜 보고하는 역할

    예) 키보드에 사용자로부터 입력이 들어오면 키보드 컨트롤러가 인터럽트를 발생시켜 CPU에게 그 사실을 알려준다.

    1. 키보드 컨트롤러가 인터럽트 발생
    2. CPU는 작업 상태 저장 후, 키보드 인터럽트 처리 루틴을 찾음
    3. 키보드 인터럽트 처리 루틴은 인터럽트 처리 완료
    4. 인터럽트 발생하기 직전 상태 복구 후, 중단되었던 작업 재개

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참고