클라이밍하는 개발자

Chapter13. 교착 상태(데드락)

학습목표

• 교착 상태가 무엇인지 이해합니다
• 교착 상태는 어떤 상황에서 발생하는지 이해합니다
• 교착 상태를 예방하고, 회피하고, 검출하는 방법을 학습합니다

**교착 상태(Deadlock)**란?

• 여러 프로세스나 스레드가 서로 자원을 기다리며 무한정 대기 상태에 빠져 작업을 진행하지 못하는 상황

발생 상황

• 상호 배제 상황일 때
• 자원을 점유하고 대기할 때
• 자원을 비선점 상태일때
• 자원을 해제하지 않고 무한 대기할 때

예방 방법

• 자원 할당 전에 모든 자원을 확보
• 요청 순서를 정해 자원 할당

회피 방법

• 자원 상태를 모니터링해 교착 상태가 발생하지 않도록 조정
• 은행원 알고리즘을 사용

검출 방법

• 시스템의 자원 그래프를 사용해 교착 상태를 검사
• 주기적으로 검사하여 교착 상태를 해결

Chapter12. 프로세스 동기화

학습목표

• 동기화란 무엇인지 알아봅니다
• 공유 자원과 임계 구역 문제를 이해합니다
• 임계 구역 문제를 해결하기 위한 동기화 기법을 학습합니다

동기화의 의미

• 프로세스 동기화: 프로세스들 사이의 수행 시기를 맞추는 것
  • 실행 순서 제어: 프로세스를 올바른 순서대로 실행하기
  • 상호 배제: 동시에 접근해서는 안 되는 자원에 하나의 프로세스만 접근하게 하기
• 즉, 동기화에는 실행 순서 제어를 위한 동기화가 있고, 상호 배제를 위한 동기화가 있다

공유자원과 임계 구역

• 공유 자원: 프로세스들이 사용하는 공동의 자원
  • 동시에 실행하면 문제 발생
• 임계 구역: 동시에 실행하면 문제가 발생하는 자원에 접근하는 코드 영역
• 운영체제는 임계 구역 문제를 아래 세 가지 원칙 하에 해결함
  • 상호배제
  • 진행
  • 유한 대기

동기화 기법

1. 뮤텍스 락 (Mutex Lock):
   • 설명: 상호 배제를 통해 한 번에 하나의 스레드만 리소스에 접근할 수 있도록 하는 락.
   • 용도: 한 스레드가 작업을 끝낼 때까지 다른 스레드가 접근하지 못하게 막음.
   • 장점: 단순하고 직관적.
   • 단점: 데드락 발생 가능성.
2. 세마포 (Semaphore):
   • 설명: 카운터를 이용해 특정 수의 스레드가 동시에 리소스에 접근할 수 있도록 하는 동기화 도구.
   • 용도: 리소스 접근 제한, 큐 크기 조절 등.
   • 장점: 다수의 스레드 동시 접근 허용.
   • 단점: 관리 복잡도 증가.
3. 모니터 (Monitor):
   • 설명: 락과 조건 변수를 포함한 고수준의 동기화 매커니즘.
   • 용도: 객체의 상태를 보호하고, 조건에 따라 스레드 실행을 제어.
   • 장점: 코드가 더 간결하고 유지보수 쉬움.
   • 단점: 구현 복잡.

Chapter09. 운영체제 시작하기

학습목표

• 운영체제가 무엇인지 이해합니다
• 커널이 무엇인지 학습합니다
• 시스템 호출과 이중 모드에 대해 이해합니다
• 운영체제가 제공하는 핵심 서비스의 종류를 학습합니다

운영체제란

• 프로그램 실행에 필요한 자원을 시스템 자원 혹은 자원이라 함
• 실행할 프로그램에 필요한 자원을 할당하고, 프로그램 실행을 돕는 프로그램이 운영체제
• 커널 영역과 사용자 영역으로 나누어짐
• 운영체제는 커널 영역에 적재되는 프로그램
• 실행하는 프로그램의 메모리 영역을 적재적소에 할당하는 것은 운영체제의 역활

운영체제의 심장, 커널

• 커널: 자원에 접근하고 조작하는 기능, 프로그램이 올바르고 안전하게 실행되게 하는 기능 담당
• 이중모드: CPU가 명령어를 실행하는 모드를 크게 사용자 모드와 커널 모드로 분리하는 방식
  • CPU는 명령어를 사용자 모드 또는 커널 모드로써 사용할 수 있음
  • 사용자 모드: 운영체제 서비스를 제공받을 수 없는 실행 모드 (커널X)
  • 커널 모드: 운영체제 서비스를 제공받을 수 있는 실행 모드 (커널O)
  • 시스템 호출: 운영체제 서비스를 제공받기 위해 커널 모드로 전환하는 방법

운영체제의 핵심 서비스

• 프로세스 관리
  • 실행중인 프로그램을 프로세스라고 함
• 자원 접근 및 할당
• 파일시스템 관리

Chapter04. CPU의 작동 원리

• ALU는 계산하는 부품으로 레지스터를 통해 피연산자를 받아들이고,
• 제어장치로부터 수행할 연산을 알려주는 제어신호를 받아들입니다.
• 오버플로우: 연산 결과가 연산 결과를 담을 레지스터보다 큰 상황
• 플래그: 연산 결과에 대한 추가적인 상태 정보
• 제어장치
  • 첫째, 제어장치는 클럭 신호를 받아들입니다 (클럭: 시간단위)
  • 둘째, 제어장치는 ‘해석해야 할 명령어’를 받아들입니다
  • 셋째, 제어장치는 플래그 레지스터 속 플래그 값을 받아들입니다
  • 넷째, 제어장치는 시스템 버스, 그중에서 제어 버스로 전달된 제어 신호를 받아들입니다
  → 제어장치는 클럭신호, 명령어, 플래그, 제어신호를 받아들입니다
  • 제어장치는 CPU 내부와 외부로 제어 신호를 보냅니다
• 레지스터
  • 프로그램 카운터: 메모리에서 가져올 명령어의 주소(=명령어 포인트)
  • 명령어 레지스터: 해석할 명령어, 이를 받아 들이고 해석한 뒤 제어신호 보냄
  • 메모리 주소 레지스터: 메모리 주소를 저장하는 레지스터
  • 메모리 버퍼 레지스터: 메모리와 주고받을 값을 저장하는 레지스터
  • 범용 레지스터: 일반적인 상황에서 자유롭게 사용
  • 플래그 레지스터: 연산 결과 또는 CPU 상태에 대한 부가적인 정보를 저장
• 특정 레지스터를 이용한 주소 지정 방식
  • 스택 주소 지정 방식: 스택과 스택 포인터(스택의 최상단의 위치)를 이용한 주소 지정 방식
  • 변위 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드의 값과 특정 레지스터의 값을 더하여 유효 주소를 얻어내는 주소 지정 방식 (상대 주소 지정 방식, 베이스 레지스터 주소 지정 방식)
• 명령어 사이클: 하나의 명령어를 처리하는 정형화 된 흐름
  • 인출 사이클, 실행 사이클, 간접 사이클
• 인터럽트: 흐름에 따라 처리하다 간혹 흐름이 끊어지는 상황
  • 동기 인터럽트: CPU에 의해 발생(예외적인 상황, 프로그래밍 오류 등)
  • 비동기 인터럽트: 입출력장치에서 발생(하드웨어 인터럽트)

Chapter03. 명령어

고급언어는 결국 저급언어로 변환되어 실행되는데 방법은 컴파일 방식과 인터프리터 방식이 존재함.

• 컴파일 언어
  • 컴파일러에 의해 소드 코드 전체가 저급 언어로 변환되는 고급 언어 (예: C)
  • 코드 전체가 저급 언어로 변환되는 과정을 컴파일
  • 컴파일을 도와주는 도구를 컴파일러
  • 컴파일러를 통해 저급 언어로 변환 된 코드를 목적 코드
• 인터프리터 언어
  • 인터프리터에 의해 1줄씩 실행되는 고급 언어 (예: 파이썬)
  • 한 줄씩 저급 언어로 변환하여 실행을 도와주는 도구를 인터프리터
  • 일반적으로 컴파일 언어가 더 빠름

목적파일과 실행파일은 같지 않음. 목적파일에 다른 파일을 연결짓는 링킹이라는 작업이 필요함.

• 명령어: 연산코드 + 오퍼랜드
• 연산코드: 명령어가수행할 연산 (연산자)
  • 데이터 전송
  • 산술/논리 연산
  • 제어 흐름 변경
  • 입출력 제어
• 오퍼랜드: 연산에 사용할 데이터 (피연산자=주소필드)
• 즉시 주소 지정 방식: 연산에 사용할 데이터를 오퍼랜드 필드에 직접 명시하는 방법
  • 표현할 수 있는 데이터의 크기는 작아지지만
  • 연산에 사용할 데이터를 메모리나 레지스터로부터 찾는 과정이 없기에 속도가 빠름
• 직접 주소 지정 방식: 오퍼랜드 필드에 유효 주소를 직접적으로 명시하는 방식
  • 표현할 수 있는 데이터의 크기는 커졌지만, 연산 코드의 비트 수 만큼 줄어듬
• 간접 주소 지정 방식: 유효 주소의 주소
• 레지스터 주소 지정 방식: 유효 주소 (레지스터 이름)
• 레지스터 간접 주소 지정 방식: 유효 주소를 저장한 레지스터
• 스택: 후입선출, LIFO(Last In First Out) 자료구조
• 큐: 선입선출, FIFO (First In First Out) 자료구조

Chapter02. 데이터

컴퓨터는 0과 1밖에 이해하지 못하며 0과 1을 나타내는 가장 작은 단위를 비트(Bit)라고 함

바이트(Byte)는 8개의 비트를 묶은 단위

데이터는 이진수, 10진수, 16진수로 표현하는데,

이진수는 0b를 앞에 붙여서 이진수임을 표현할 수 있음 (0b1000)

16진수는 0x를 앞에 붙여 16진수임을 표현할 수 있음(0x15)

우리가 이해하기 편한 10진수 대신 16진수는 쓰는 이유는 “16진수와 2진수 변환하기 쉽기 때문”

16진수 : 1A2B

2진수 : 0001 1010 0010 1011

이진수를 십진수로 변환하는 것은 복잡하기에 이진수를 16진수로 표현함.

0과 1을 문자로 표현하는 방법

• 문자 집합: 컴퓨터가 인식하고 표현할 수 있는 문자의모음
  • 예를 들어{a,b,c,d,e}인 경우 이해가능, 그외 불가능
• 문자 인코딩: 문자를 0과 1로 변환하는 과정
• 문자 디코딩: 0과 1로 이루어진 문자 코드를 사람이 이해하는 문자로 변환하는 과정
• 아스키 코드: 초창기 문자 집합 중 하나로, 영어 알파벳과 아라비아 숫자, 일부 특수문자 포함
  • 총 128개의 문자를 표현(0~127)

Chapter01. 컴퓨터 구조 시작하기

명령어는 컴퓨터를 작동시키는 정보이고, 데이터는 명령어를 위해 존재하는 일종의 재료.

컴퓨터의 핵심부품은 중앙처리장치(CPU), 주기억장치(메모리), 보조기억장치, 입출력장치

• 메모리: 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장하는 부품
  • 프로그램이 실행되기 위해서는 반드시 메모리에 저장되어야 한다
  • 메모리는 현재 실행되는 프로그램의 명령어와 데이터를 저장한다
  • 메모리에 저장된 값의 위치로 주소를 알 수 있다
• CPU: 메모리에 저장된 명령어를 읽어 들이고, 읽어 들인 명령어를 해석하고 실행하는 부품
  • 산술논리연산장치(ALU) - 계산기
  • 레지스터 - CPU 내부의 작은 임시 저장 장치
  • 제어장치 - 제어신호라는 전기신호를 보내고 명령어를 해석하는 장치
  • CPU는 메모리에 저장된 값을 읽어들이고, 해석하고, 실행하는 장치다
  • CPU 내부에는 ALU, 레지스터, 제어장치가 있다
  • ALU는 계산기, 레지스터는 임시 저장 장치, 제어장치는 제어신호 발생 및 명령어 해석
• 보조기억장치: 메모리는 가격이 비싸고, 용량이 적고, 전원이 꺼지면 정보를 잃음 → 메모리보다 저렴하고, 용량이 크고, 전원이 꺼져도 정보를 보관하는 장치
• 입출력장치: 모니터, 키보드, 마우스, 스피커, 마이크처럼 컴퓨터 외부에 연결되어 컴퓨터 내부와 정보를 교환하는 장치
• 메인보드: 메인보드에 다양한 부품을 연결하여 서로 정보를 주고 받을 수 있고, 이는 메인보드 내부에 버스라는 통로를 통해 가능함.
• 시스템 버스
  • 주소 버스
  • 데이터 버스
  • 제어 버스

출처: [서적] 혼자공부하는 컴퓨터구조와 운영체제