[정보보안기사] 1과목 운영체제 구조 정리 및 요약 Part (1)

Part1 ( OS )

OS (Operating System)

컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 관리하여, 사용자가 컴퓨터를 편리하고 효과적으로
사용할 수 있도록 환경을 제공하는 여러 프로그램의 모임

※ 목적

처리 능력 향상: 시간당 작업 처리량(Throughput), 평균 처리시간 개선
신뢰성 향상: 실패 없이 주어진 기능을 수행할 수 있는 능력
응답시간 단축: 사용자가 시스템에 의뢰한 작업 반응 시간 단축
자원 활용률 향상: 자원 공유, 상호배제를 통해 자원 효율적 활용
가용성 향상: 고장과 오류가 발생해도 운영 영향 최소화

발달순서	시스템 분류	설명
1	Batch Processing	- 유사 작업 일괄처리, 긴 러닝 타임 - 하드웨어의 효율적 이용은 가능 / 실시간 처리 미흡
2	Multi Programming	- CPU 가동률 극대화 → 유휴 시간 최소화 - 스케쥴링 의한 작업 수행, 정교한 메모리 관리 및 스케줄링 必
3	Time Sharing / Multi-tasking	- Multi Programming의 논리적 확장 - 사용자와 시스템 간 Interactive한 서비스
4	Multi-Processing	- 여러 개의 CPU로 다중작업 구현 → 가용성 증대
5	Real-time	- 시스템 서비스 요청 발생 시 시간 제약 발생 → 즉시 처리 후 결과 출력
6	Multi-mode	- 일괄처리, 시분할, 다중처리, 실시간 처리를 한 시스템에서 모두 제공
7	Distributed	- 독립적 운영체제의 협업

※ 주요 자원 관리 기능

프로세스 관리	프로세스 스케줄링 및 동기화 관리, 프로세스 생성 / 제거, 시작 및 정지, 메시지 전달 등
기억장치 관리	프로세스에 메모리 할당 및 회수 관리
주변장치 관리	입 / 출력 장치 스케줄링 및 점유 관리
파일 관리	파일 생성, 삭제, 변경, 유지 관리

Part 2 ( Process )

Process Management

※ Proccess ( 실행 중인 프로세스 ) vs Thread (제어의 흐름)

구분	Process	Thread
개념	- 레지스터, 스택, 포인터, 실행중인 프로그램, 데이터 등의 집합체 - 프로세서에 의해 수행되는 프로그램 단위로, 현재 실행 중이거나 곧 실행 가능한 PCB(Process Control Block)를 가진 프로그램	- 프로세스에서 실행의 개념만을 분리 프로세스 구성 = 제어의 흐름(실행 단위) + 실행 환경 → 스레드: 프로세스의 실행 부분 담당
상호통신	- System Call - Call 종료 시까지 전체 자원 Blocking	- Library Call - 요청 Thread만 Blocking
처리방식	자원 할당을 위한 기본 구분 단위	CPU를 이용한 기본 작업(단위로 구분)
부하	- Context Switching으로 인한 부하 발생 - 프로세스 자원 할당 시 부하 발생	프로세스에 비해 상대적으로 부하 발생 少

※ 프로세스 상태 전이 ( Process Sate Transition )

운영체제-프로세스 실행 제어, 프로세스에 대한 정보 유지 등 담당
프로세스 실행 결정 및 필요한 시스템 자원을 할당하는 과정
프로세스 상태 변환을 위해 두 종류의 CPU 스케쥴러(작업 스케쥴러, 프로세스 스케쥴러) 사용

※ 프로세스 상태전이도 ( Process State Transition Diagram )

프로세스 실행 → 모든 프로세스 준비 큐(FIFO) 진입 → 준비 큐 프로세스가 CPU 스케줄링 알고리즘에 의해 CPU 점유 → 프로세스 실행

예외 case

CPU에서 실행 중인 프로세스가 Time out이 될 경우, 다시 준비 큐 뒤로 들어가서 CPU 점유까지 대기
실행 중인 프로세스가 디스크 입출력 같은 작업이 발생할 경우, 대기 상태가 되고 입출력 수행 (입출력 완료 시 다시 준비상태로 들어가 대기)

※ Active 모드에서의 프로세스 상태 변환

Active 생성 → 준비	준비 큐가 비어있을 때 (작업 스케줄러 담당)
Dispatch 준비 → 실행	준비 큐에 있는 하나의 프로세스를 선택해 CPU 할당 (프로세스 스케줄러 담당)
Time Run out 실행 → 준비	- CPU를 할당받은 프로세스가 CPU의 제한된 사용시간을 모두 쓴 경우 발생 - OS 자체의 CPU 서비스 요청 시 전이됨 (선점) (*CPU 스케줄링 정책에 따라 우선순위가 높은 프로세스에게 CPU를 양보할 때)
Blocked 실행 → 슬립 (대기)	CPU를 할당 받은 프로세스가 I/O 요구, 다른 자원 요구 등 CPU 이외의 서비스 작업을 원할 때 발생
Wake UP 슬립 → 준비 (대기)	대기 중이던 사건(조건) 처리가 끝났을 때 발생
Release 실행 → 종료	프로세스의 정상/비정상 종료 시 발생

※ 문맥 교환 (Context Switching)

- CPU가 이전의 프로세스 상태를 PCB에 보관 후, 또 다른 프로세스의 정보를 읽어와 레지스터에 
  적재하는 과정

- 멀티프로그래밍 환경에서 문맥교환 과정이 이루어지며, 병행처리를 수행한다.

※ 입출력 대기 케이스

프로세스 상태 변경
인터럽트 발생
실행 중인 프로세스가 CPU 사용을 허가받은 시간( Quantum )을 모두 소모
선점형 스케줄러 사용
실행 중인 프로세스 보다 높은 우선 순위를 가진 프로세스 도착

※ PCB ( Process Control Block )

- OS가 프로세스를 제어하기 위해 정보를 저장해 놓는 곳, 프로세스의 
  상태 정보를 저장하는 구조체

- 프로세스 상태 관리와 문맥교환을 위해 필요

- 프로세스 생성 시 만들어지며, 주기억장치에서 유지됨

※ 유지되는 정보

PID : 프로세스 고유 번호
포인터 : 다음 실행 될 프로세스의 포인터
상태 : 준비, 대기, 실행 등
Register save area : 레지스터 관련 정보
Priority : 스케줄링 및 프로세스 우선순위
Account : CPU 사용시간, 실제 사용된 시간
Memory Pointers : 메모리 관리 정보
입출력 상태 정보
할당된 자원 정보

Part 3 ( CPU Scheduling Techniques )

컴퓨터의 자원(Resource)을 효율적으로 사용하기 위한 정책을 계획하는 것

(= 특정 자원을 요청 중인 프로세스를 대상으로 CPU 자원 할당해 주는 순서 지정)

※ 목적

CPU 활용 극대화 : CPU 유휴 시간 최소화
응답시간 단축 : 프로세스 평균 응답 시간 ↓
공평한 자원 활용 : 주어진 기간 동안 특정 자원 사용 효율화
Multi - tasking 효율화 : 다중 프로세스의 공평한 처리

※ 스케줄러 역할에 의한 구분

정기 스케줄러	- 상위(High level, long term) 스케줄링, 작업(Job) 스케줄링 - 어떤 작업이 시스템의 자원들을 차지할 것인지 결정(큐에 적재)
중기 스케줄러	- 어떤 프로세스들이 CPU를 할당받을 것인지 결정 - CPU를 사용하려는 프로세스 간 중재 → 일시 보류 & 재활성화
단기 스케줄러	- 하위 스케줄링, CPU 스케줄링, 프로세스 스케줄링이라고도 함 - CPU 스케줄러인 Dispatcher에 의해 동작(프로세스에 CPU 할당)

※ 스케줄러 점유 방식에 의한 구분

	선점 (Preemptive)	비선점 (Non-preemptive)
개념	프로세스가 CPU 점유 중일 때 다른 프로세스가 CPU 점유 가능	프로세스가 CPU 해제 시까지 다른 프로세서는 대기
장점	- 빠른 응답, 모바일, RTOS - 대화식 시분할에 적합	- 응답 시간 예상 용이, Batch Process에 적합 - 프로세스에 대한 요구 공정하게 처리
단점	Overhead 발생 (Context-Switching)	짧은 작업에도 장기간 대기
스케줄링 기법	Round-robin, SRT	FCFS, SJF, HRN

※ CPU 스케줄링 기법

1. FCFS ( First Come First service )

- 대기 큐에 도착한 순서에 따라 CPU 할당

2. SJF ( Shortest Job First )

- 기다리고 있는 작업 중 수행 시간이 가장 짧다고 판단된 프로세스 먼저 수행
- FCFS에 비해 평균 대기시간 감소, 큰 작업은 대기시간 예측 어려움

3. Round - Robin

- FCFS에 의해 내보내짐 + 각 프로세스에 같은 크기의 CPU 시간 할당
- 시간이 만료될 때까지 처리 미완료 시 CPU는 대기 중인 다음 프로세스로 이동(Preemptive), 실행 중이던 프로세스는 준비 완료 리스트 맨 뒤로 이동

4. SRT ( Shortest Remaining Time )

- 새로 도착한 프로세스 포함, 수행 시간이 가장 짧다고 판단된 프로세스 먼저 수행
- 실행 중인 프로세스라도 남은 처리 시간이 더 짧다고 판단되는 프로세스가 생기면 언제라도 프로세스 선점
- SJR + 선점 방식, 실시간 시스템에 유리

5. Multi Level Queue

- 여러 종류 그룹으로 나눠 여러 개의 큐 이용
- 그룹화된 작업을 각각의 준비 큐에 넣고, 각 큐의 독자적인 스케줄링 알고리즘에 따라 할당

6. Multi Level Feedback Queue

- 프로세스 특성 ( CPU 위주, I/O 위주 )에 따라 서로 다른 타임 슬라이스 부여
- 우선순위 Queue + Round Robin → Hybrid Scheduling

1) 새 프로그램이 들어오면 높은 우선순위 할당 ( 단계 1에서 즉시 수행 )
2) 점점 낮은 우선순위 부여
3) 작업 완료 시까지 라운드 로빈 방식으로 순환

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※ 목적

※ 주요 자원 관리 기능

Part 2 ( Process )

※ Proccess ( 실행 중인 프로세스 ) vs Thread (제어의 흐름)

※ 프로세스 상태 전이 ( Process Sate Transition )

※ 프로세스 상태전이도 ( Process State Transition Diagram )

※ Active 모드에서의 프로세스 상태 변환

※ 문맥 교환 (Context Switching)

※ 입출력 대기 케이스

※ PCB ( Process Control Block )

※ 유지되는 정보

Part 3 ( CPU Scheduling Techniques )

※ 목적

※ 스케줄러 역할에 의한 구분

※ 스케줄러 점유 방식에 의한 구분

※ CPU 스케줄링 기법

1. FCFS ( First Come First service )

2. SJF ( Shortest Job First )

3. Round - Robin

4. SRT ( Shortest Remaining Time )

5. Multi Level Queue

6. Multi Level Feedback Queue

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