가상 메모리(Virtual Memory)는 각 프로세스에 연속되고 독립적인 가상 주소 공간을 제공하고,
실제로는 그중 필요한 부분만 물리 메모리에 적재하여 실행할 수 있게 하는 메모리 관리 기법 의미. [1][2]
이 방식 덕분에 프로세스 전체가 항상 물리 메모리에 올라와 있지 않아도 실행 가능. [1][2]
또한 사용자 프로그램은 물리 메모리의 실제 배치 방식과 분리된 주소 공간을 사용하므로,
운영체제가 메모리 보호와 관리 효율을 높일 수 있음. [1][2]
가상 메모리는 다음 이유로 중요.
즉, 프로그램 입장에서는 큰 연속 주소 공간을 사용하는 것처럼 보이지만,
운영체제는 필요한 페이지 중심으로 메모리를 관리하는 구조.
가상 메모리는 보통 요구 페이징(Demand Paging) 방식과 함께 설명됨. [1][2]
요구 페이징은 실제로 참조되는 시점에 페이지를 메모리로 가져오는 방식 의미. [1][2]
즉, 프로세스를 시작할 때 모든 페이지를 한꺼번에 적재하지 않고,
당장 필요한 페이지부터 적재하는 구조.
이때 페이지 테이블에는 각 페이지가 현재 메모리에 있는지 나타내는
유효 / 무효 비트(valid / invalid bit)를 둘 수 있음. [2]
장점은 다음과 같음.
CPU가 참조한 페이지가 현재 물리 메모리에 없을 때 page fault가 발생. [1][2]
일반적인 처리 흐름은 다음과 같음.
즉, page fault는 단순 오류라기보다
필요한 페이지를 나중에 적재하기 위한 정상적인 제어 흐름의 일부일 수 있음. [2]
Page fault가 발생했을 때 빈 프레임이 없다면,
현재 메모리에 있는 페이지 중 하나를 내보내고 새 페이지를 적재해야 함.
이 과정을 페이지 교체(Page Replacement)라고 함. [1][2]
페이지 교체의 목표는 전체 page fault 횟수를 줄이는 것. [1][2]
대표 알고리즘은 다음과 같음.
| 알고리즘 | 설명 |
|---|---|
| FIFO | 메모리에 가장 먼저 들어온 페이지를 먼저 교체 |
| OPT(최적 페이지 교체) | 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체 |
| LRU | 가장 오랫동안 참조되지 않은 페이지를 교체 |
| LFU | 참조 횟수가 가장 적은 페이지를 교체 |
여기서 OPT는 이론적으로 가장 좋은 기준이지만,
미래 참조를 알아야 하므로 실제 그대로 구현할 수는 없음. [2]
또한 LFU는 카운트 관리 비용이 크고 실제 사용 패턴을 항상 잘 반영하지 못해
전형적인 설명용 알고리즘으로 더 자주 다뤄짐. [2]
가상 메모리 질문에서는 보통 다음 흐름으로 이어짐.
즉, 가상 주소 공간, 요구 페이징, page fault, page replacement를
한 흐름으로 연결해서 설명하면 정리가 잘 됨.
가상 메모리
- 프로세스에 연속된 가상 주소 공간을 제공하는 메모리 관리 기법
- 필요한 부분만 물리 메모리에 적재하여 실행 가능
요구 페이징
- 실제로 참조되는 시점에 필요한 페이지를 적재하는 방식
Page Fault
- 참조한 페이지가 현재 메모리에 없을 때 발생
- 운영체제가 페이지를 적재한 뒤 명령을 다시 실행
페이지 교체
- 빈 프레임이 없을 때 기존 페이지를 내보내는 과정
- 대표 알고리즘: FIFO, OPT, LRU, LFU
Segmentation은 프로세스의 논리 주소 공간을 의미 단위의 가변 크기 영역(segment)으로 나누어 관리하는 메모리 관리 방식 의미. [1][2][3]
운영체제는 프로그램을 하나의 단순한 연속 배열로 보기보다,
Code, Data, Heap, Stack처럼 서로 다른 역할을 가진 영역의 집합으로 볼 수 있음.
Segmentation은 이런 관점을 그대로 주소 공간 관리에 반영한 방식. [1][2]
중요한 점은 프로세스 전체가 하나의 연속된 물리 메모리 공간에 놓일 필요는 없지만,
각 segment 자체는 일반적으로 연속된 물리 메모리 공간에 배치된다는 점. [1][3]
Segmentation에서 논리 주소는 보통 다음 두 부분으로 표현.
세그먼트 번호는 세그먼트 테이블(Segment Table)의 인덱스로 사용됨. [1][2][3]
일반적으로 세그먼트 테이블의 각 항목은 다음 정보를 가짐.
주소 변환 과정은 다음과 같음.
Segmentation에서는 세그먼트별 길이가 서로 다르므로,
하드웨어는 오프셋이 해당 segment 범위를 넘는지 검사해야 함. [1][3]
오프셋이 segment의 limit 이상이면 잘못된 주소 접근으로 판단되어 예외가 발생함.
운영체제 문맥에서는 이를 segmentation violation 또는 segmentation fault로 설명하는 경우가 많음. [3]
또한 segment마다 보호 비트를 둘 수 있으므로,
예를 들어 코드 영역에는 쓰기를 금지하는 식의 접근 권한 제어를 적용할 수 있음. [2]
Segmentation은 segment 크기만큼 가변적으로 메모리를 할당하므로
paging처럼 고정 크기 블록 단위 때문에 생기는 내부 단편화는 거의 없거나 매우 작음. [4]
반면, 크기가 서로 다른 segment들이 적재되고 해제되는 과정이 반복되면
빈 공간이 잘게 나뉘어 외부 단편화(External Fragmentation)가 발생할 수 있음. [1][2][4]
즉,
Segmentation과 Paging의 핵심 차이는 나누는 기준에 있음.
또한 단편화 측면에서도 차이가 있음.
Paged Segmentation은 segmentation을 기본으로 하되,
각 segment를 다시 page 단위로 나누어 관리하는 방식 의미. [5][6]
이 경우 논리 주소는 개념적으로 다음처럼 해석 가능.
이 방식은 segmentation의 논리적 보호와 공유 장점을 유지하면서,
segment를 다시 paging하므로 외부 단편화 문제를 줄이거나 피하는 데 도움을 줌. [2][5][6]
다만 주소 변환 구조가 더 복잡해지고,
segment table과 page table을 함께 사용해야 한다는 비용이 생김. [5][6]
Segmentation
- 프로세스 주소 공간을 의미 단위의 가변 크기 segment로 나누는 방식
- 프로세스 전체는 비연속적으로 배치될 수 있지만, 각 segment 자체는 연속적으로 적재되는 것이 일반적
주소 변환
- 논리 주소는 세그먼트 번호와 오프셋으로 구성
- 세그먼트 테이블의 base와 limit를 이용해 물리 주소를 계산
단편화
- 내부 단편화는 거의 없거나 매우 작음
- 외부 단편화는 발생 가능
Deadlock이란 둘 이상의 Thread가 서로가 점유한 자원을 기다리며 무한 대기 상태에 빠지는 상황 의미.
각 Thread가 다른 Thread의 자원을 기다리는 순환 구조 형성 상태 의미.
Deadlock은 다음 4가지 조건이 동시에 성립할 때 발생 가능.
데드락 해결 방법은 다음 4가지 방식 존재.
| 기법 | 설명 | 특징 |
|---|---|---|
| 무시 | 데드락 발생을 무시하는 방식 | 성능 저하 없음, 실제 시스템에서 많이 사용 |
| 예방 | 발생 조건 중 하나를 제거하는 방식 | 자원 효율성 감소 |
| 회피 | Deadlock이 발생하지 않도록 자원 할당 제어 | 알고리즘 기반 (은행원 알고리즘 등) |
| 탐지-회복 | 데드락 발생 후 탐지 및 복구 | 시스템 오버헤드 발생 |
데드락
서로의 자원을 기다리며 무한 대기 상태 발생 구조발생 조건
상호 배제 / 점유 대기 / 비선점 / 순환 대기해결 방법
무시 / 예방 / 회피 / 탐지-회복
페이징(Paging)은 프로세스의 논리 주소 공간(Logical Address Space)을 같은 크기의 페이지(Page)로 나누고,
물리 메모리를 같은 크기의 프레임(Frame)으로 나누어 매핑하는 메모리 관리 방식 의미. [1][2][3]
이 방식에서는 프로세스의 각 페이지가 물리 메모리의 연속되지 않은 여러 프레임에 적재될 수 있음. [1][2][3]
즉, 프로세스는 논리적으로는 연속된 주소 공간을 사용하지만,
실제 물리 메모리에서는 분산된 위치에 저장될 수 있는 구조.
CPU가 생성하는 주소는 논리 주소(Logical Address)이며,
실제 메모리 하드웨어가 사용하는 주소는 물리 주소(Physical Address) 의미. [2]
실행 시간 주소 바인딩 환경에서는 논리 주소와 가상 주소(Virtual Address)를 같은 뜻으로 사용하는 경우가 많음. [2]
사용자 프로그램은 논리 주소를 기준으로 동작하고,
이 논리 주소를 물리 주소로 변환하는 작업은 MMU(Memory Management Unit)와 페이지 테이블(Page Table)이 담당함. [2][3]
페이징에서는 논리 주소를 보통 다음 두 부분으로 나누어 해석.
페이지 번호는 페이지 테이블의 인덱스로 사용되고,
페이지 테이블은 해당 페이지가 적재된 프레임 번호(Frame Number)를 저장함. [2][3]
이후 프레임 번호 + 오프셋을 결합하여 최종 물리 주소를 구함. [2][3]
정리하면 주소 변환 흐름은 다음과 같음.
페이징의 장점은 외부 단편화(External Fragmentation)를 없애거나 매우 크게 줄인다는 점.
고정 크기 프레임 단위로 할당하므로, 연속된 큰 빈 공간을 찾기 위해 메모리를 재배치할 필요가 없기 때문. [1][3]
반면, 내부 단편화(Internal Fragmentation)는 발생 가능. [1][3]
이유는 프로세스 크기가 페이지 크기의 정확한 배수가 아닐 수 있기 때문.
이 경우 마지막 페이지 내부에 사용되지 않는 공간이 남을 수 있음. [1][3]
즉,
페이징은 프로세스를 반드시 연속된 물리 메모리 공간에 배치하지 않아도 되므로
메모리 할당이 쉬워지고, 현대 운영체제의 가상 메모리 구조를 이해하는 기본 개념이 됨. [1][2][3]
면접에서는 다음 두 가지를 연결해서 설명하면 정리가 잘 됨.
페이징
- 논리 주소 공간을 페이지, 물리 메모리를 프레임으로 나누는 방식
- 각 페이지는 물리 메모리의 비연속적인 프레임에 저장 가능
주소 변환
- 논리 주소는 페이지 번호와 오프셋으로 구성
- 페이지 테이블이 페이지 번호를 프레임 번호로 변환
단편화
- 외부 단편화는 없거나 매우 크게 완화됨
- 내부 단편화는 마지막 페이지에서 발생 가능
동기화 문제란 여러 프로세스 또는 Thread가 공유 자원에 동시에 접근하여 잘못된 결과가 발생하는 문제 의미.
발생 원인
Race Condition이란 여러 Thread가 동일한 자원에 접근할 때 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 현상 의미.
예시: count++
동작 과정
해당 과정이 원자적이지 않은 구조이기 때문에 값 손실 발생 가능.
임계영역이란 공유 자원에 접근하는 코드 영역 의미.
조건
구성
대표적인 동기화 방법
Mutex는 Mutual Exclusion 의미.
특징
동작 흐름
예시 구조
단점
Semaphore는 공유 자원 접근 개수를 제어하는 동기화 기법 의미.
특징
동작 원리
연산
예시 구조
Semaphore 값이 0 또는 1만 가지는 경우 의미.
| 구분 | Mutex | Semaphore |
|---|---|---|
| 접근 가능 수 | 1개 | N개 |
| 목적 | 상호 배제 | 자원 개수 제어 |
| 구조 | Lock 기반 | 카운터 기반 |
| 관계 | Binary Semaphore와 유사 | 일반화된 동기화 기법 |
동기화 문제
공유 자원 동시 접근으로 인한 오류 발생 구조Race Condition
실행 순서에 따라 결과가 달라지는 문제Mutex
하나의 Thread만 접근 가능한 Lock 기반 제어Semaphore
여러 스레드 접근 가능, 자원 개수 기반 제어
새로운 서버가 생성되었다고 해도, Init-Script 실행이나 업데이트 설치 등의 이유로 실제 서비스 를 수행할 수 있을 정도로 준비되기까지는 시간이 소요될 수 있습니다. 이것은 실제Scaling 이 수행 중이거나 수행 완료된 이후에 모니터링 이벤트 알람이 발생하더라도 무시하도록 설정 한 기간입니다.
Block Storage 크기 변경 액션을 수행하려면, 대상 블록 스토리지가 사용중일 경우 파일시스 템을 연결 해제해야 한다.
→ NHN 클라우드 콘솔에서 변경하는 스토리지 크기는 실제 서버 내에서 변경되지 않으며 직접 다시 설정해줘야 한다. 자동으로 파일시스템을 확장하지 않습니다. 사용자가 직접 파일시스템의 커맨드를 이용하여 확장해야 합니다.
방화벽과 같이 ACL을 설정하는 외부의 네트웍과 연결시 네이버 클라우드 플랫폼내에 있는다수의 서버들이 하나의 공인 IP로 해당 외부 네트웍에 접근할 수 있게해주며, 외부 인터넷으로 연결이 필요할 때 필수적인 상품
프로세스는 서로 독립적인 주소 공간을 가지는 실행 단위 임. 따라서 한 프로세스가 다른 프로세스의 메모리 영역을 직접 참조하는 것은 구조적 한계 임. 이 한계를 해결하기 위한 메커니즘이 IPC (Inter 프로세스 Communication) 임. IPC는 프로세스 간 데이터 교환을 위한 통신 구조 임.
프로세스 분리 실행 구조 자체가 IPC 필요성을 만드는 직접적 원인 임.
IPC는 두 모델로 구분됨.
여러 프로세스가 하나의 메모리 영역을 공유하는 방식 임.
커널을 통해 메시지를 주고받는 방식 임.
send(message) 호출receive(message) 호출프로세스 → 커널 → 프로세스 구조 임
| 구분 | 공유 메모리 | 메시지 전달 |
|---|---|---|
| 속도 | 높음 | 상대적으로 낮음 |
| 커널 개입 | 생성/매핑 구간에 집중 | 통신 구간 전반에서 상시 관여 |
| 동기화 | 사용자 책임 비중 큼 | 커널/큐 채널 특성에 따른 완화 |
| 안정성 | 동기화 품질에 민감 | 구조적 중재로 상대적 안정성 큼 |
| 구현 난이도 | 동기화 설계 부담 큼 | 구현 진입 장벽이 대체로 낮음 |
IPC
프로세스 간 데이터 통신 방법의 필요성 개념 임
독립된 메모리 구조 한계의 해결 목적 임공유 메모리
높은 처리 속도, 동기화 설계 부담 구조메시지 전달
상대적 안정성 확보, 커널 기반 통신 구조
Multi Process와 Multi Thread는 여러 작업을 동시에 수행하는 실행 구조 의미.
두 방식 모두 동시성 기반 처리 구조이지만
자원 관리 방식과 실행 구조에서 차이 존재.
Multi Process는 여러 개의 Process가 독립적으로 실행되는 구조 의미.
각 Process는
특징
Multi Thread는 하나의 프로세스 내부에서 여러 Thread가 실행되는 구조 의미.
각 Thread는
특징
| 구분 | Multi 프로세스 | Multi 스레드 |
|---|---|---|
| 메모리 사용 | 많은 메모리 공간 사용 | 적은 메모리 공간 사용 |
| 생성 / 전환 비용 | 상대적으로 큼 | 상대적으로 작음 |
| Context Switching | 느림 | 빠름 |
| 안정성 | 높음 (프로세스 간 독립) | 낮음 (스레드 간 영향 존재) |
| 자원 공유 | 어려움 (IPC 필요) | 쉬움 (메모리 공유) |
Multi Thread는 Multi 프로세스 대비
또한
Multi 프로세스
- 독립적인 프로세스 기반 실행 구조
- 높은 안정성
- 높은 자원 사용 비용
Multi 스레드
- 하나의 프로세스 내에서 실행되는 스레드 기반 구조
- 메모리 및 자원 효율성 높음
- 동기화 문제 및 안정성 이슈 존재
스레드란 하나의 프로세스 내부에서 실행되는 동작의 단위 의미.
Thread는 프로세스 내부에서 독립적인 기능을 수행하는 실행 흐름 의미.
여기서 독립적인 기능 수행이란 독립적으로 함수를 호출하고 실행하는 구조 의미.
Multi 스레드란 하나의 Process가 동시에 여러 작업을 수행할 수 있도록 하는 구조 의미.
즉, 하나의 프로세스 내부에 여러 개의 Thread가 존재하는 구조 의미.
이를 통해 하나의 프로그램이 여러 작업을 동시에 처리하는 방식 구현 가능.
Multi 스레드 환경에서 각 Thread는 Stack 영역을 제외한 나머지 메모리 영역을 공유하는 구조.
공유되는 영역은 다음과 같음.
반면 Stack 영역은 각 Thread가 독립적으로 할당받는 구조.
즉 Thread의 메모리 구조는 다음과 같은 형태.
| 구분 | 공유 여부 |
|---|---|
| Code | 공유 |
| Data | 공유 |
| Heap | 공유 |
| Stack | 독립 |
Thread는 프로세스 내부에서 독립적으로 함수를 호출하는 실행 단위 의미.
함수 호출 과정에서는 다음 정보 저장 필요.
이 정보들은 Stack 메모리 영역에 저장되는 구조.
따라서 각 Thread가 서로 독립적으로 실행되기 위해서는
각 Thread마다 독립적인 Stack 메모리 영역 필요.
Multi 스레드 환경에서는 각 Thread가 자신의 실행 위치(Program Counter 값)를 별도로 보존해야 함.
그 이유는 스레드 간에도 Context Switch 발생하기 때문.
PC Register에는 다음 정보 저장.
스레드 실행이 중단되었다가 다시 이어서 실행되기 위해서는
각 Thread가 자신의 다음 실행 위치 정보 유지 필요.
즉, 실제 하드웨어 Register는 CPU가 현재 실행 중인 Thread의 값을 담고,
각 Thread는 자신의 PC 값을 Thread Context에 저장해 두었다가 다시 복구하는 구조.
하나의 프로세스 내부에 여러 Thread가 존재하는 구조.
이때 각 Thread는
즉 하나의 프로세스 내부에서 여러 기능을 동시에 수행하는 실행 모델 의미.
| 구분 | 프로세스 | 스레드 |
|---|---|---|
| 개념 | 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업 단위 | 프로세스 내부에서 실행되는 동작 단위 |
| 메모리 | Code, Data, Heap, Stack 모두 독립 | Stack 제외 나머지 영역 공유 |
| 자원 할당 | 운영체제가 직접 자원 할당 | Process가 할당받은 자원 활용 |
| 실행 단위 | 프로그램 실행 단위 | 함수 실행 흐름 단위 |
스레드
- 하나의 프로세스 내부에서 실행되는 동작 단위
- 독립적인 기능 수행 구조
Multi 스레드
- 하나의 프로세스 내부에서 여러 Thread가 동시에 실행되는 구조
메모리 구조
- Code / Data / Heap 영역 공유
- Stack 영역 독립 할당
독립 Stack 필요 이유
- 함수 인자, Return Address, 지역 변수 저장 필요
PC Register
- 각 Thread는 자신의 실행 위치 정보를 별도로 보존
- 스레드 간 Context Switch 이후 실행 위치 복구 목적
Multi 프로세스란 2개 이상의 Process가 동시에 실행되는 구조 의미.
여기서 동시에 실행된다는 의미는 다음 두 가지 개념 포함.
| 동시성 | 병렬성 |
|---|---|
| Single Core 환경 | Multi Core 환경 |
| 동시에 실행되는 것처럼 보이는 구조 | 실제로 동시에 실행되는 구조 |
동시성은 CPU Core가 하나일 때 여러 Process가 짧은 시간 단위로 번갈아 실행되는 방식 의미.
이를 시분할 시스템(Time Sharing System)이라고 함.
병렬성은 CPU Core가 여러 개 존재할 때 각각의 Core가 서로 다른 Process를 동시에 실행하는 구조 의미.
Multi 프로세스 환경에서는 여러 Process가 동시에 Memory에 적재되는 구조.
각 Process는 자신만의 메모리 영역을 독립적으로 할당받는 구조.
하나의 CPU Core는 한 순간에 하나의 Process 또는 Thread만 실행 가능.
하지만 CPU 처리 속도가 매우 빠르기 때문에 수 ms 단위로 Process가 교체 실행되는 구조.
이로 인해 사용자 입장에서는 여러 프로그램이 동시에 실행되는 것처럼 보이는 현상 발생.
이러한 방식이 시분할 시스템(Time Sharing System) 구조 의미.
여러 Process가 동시에 Memory에 적재되는 상황 발생.
이때 서로 다른 Process의 메모리 영역 침범 방지 필요.
이를 위해 운영체제가 다음 기능 수행.
즉 프로세스 간 메모리 보호 구조 존재.
CPU는 PC(Program Counter) Register가 가리키는 명령어를 실행하는 구조.
PC Register 역할
Multi 프로세스 환경에서 동작 구조
즉 PC Register에 따라 실행 프로세스 변경 구조.
시분할 시스템에서는 Process가 CPU를 아주 짧은 시간 동안 점유하는 구조.
Process가 CPU를 다시 사용할 때 이전 실행 상태 정보 필요.
이러한 정보를 Context라고 함.
Context 의미
Context 정보는 PCB(프로세스 Control Block)에 저장되는 구조.
PCB는 운영체제가 Process를 관리하기 위해 사용하는 자료구조 의미.
PCB는 일반 사용자가 접근할 수 없는 보호된 메모리 영역에 저장되는 구조.
일부 운영체제에서는 커널 Stack 영역에 위치.
PCB에 포함되는 정보
| PCB 정보 | 설명 |
|---|---|
| 프로세스 State | new, running, waiting, halted 상태 정보 |
| 프로세스 Number | 프로세스 식별 번호 |
| Program Counter | 다음 실행 명령어 주소 |
| Registers | CPU Register 값 |
| 메모리 Limits | base register, limit register, page table 등 |
| 기타 정보 | CPU Scheduling 정보 등 |
Context Switch란 한 Process에서 다른 Process로 CPU 제어권을 넘기는 과정 의미.
Context Switch 수행 과정
즉 CPU가 실행하는 Process가 변경되는 과정 의미.
Multi 프로세스
- 여러 Process가 동시에 실행되는 구조
동시성
- Single Core 환경에서 시분할 방식 실행
병렬성
- Multi Core 환경에서 실제 동시 실행
Context
- 프로세스 실행 상태 정보
PCB
- 프로세스 관리 자료구조
Context Switch
- CPU 실행 프로세스 변경 과정