면접 대비 질문 예상 (운영체제)

23.12.27 일자로 진행된 면접 대비 스터디에서 나왔던 내용들을 아카이빙하기 위한 문서입니다.

문서는 스터디에서 나왔던 질문들과 이에 대해 사후 정리한 내용들을 열거하는 식으로 작성하겠습니다.

운영체제

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1. 운영체제란?

> 답변

운영체제란 하드웨어와 사용자 사이에 위치하여 사용자로 하여금 컴퓨팅 리소스를 쉽게 사용할 수 있도록 추상화하고, 적절한 스케줄링을 통해 사용자로 하여금 여러 프로세스가 동시에 처리되는 것처럼 느끼게하며, 컴퓨팅 리소스에 대한 효율적인 관리를 수행하는 일종의 소프트웨어이다.
운영체제를 구성하는 요소로는 운영체제의 핵심으로 볼 수 있는 커널과 쉘, 시스템 콜과 같은 인터페이스 등으로 구성되어있다.

2. 운영체제가 관리하는 하드웨어

> 답변

운영체제가 관리하는 하드웨어로는 디스크(HDD, SSD), 메모리(RAM), CPU, 네트워크 장비 등이 포함된다.
(운영체제가 이들을 관리하는 역할을 수행하다보니, 운영체제를 학습한다는 것의 의미는 운영체제가 이들을 어떻게 관리하는지에 대해 이해하는 것으로 볼 수 있다.)

3. 프로그램이란?

> 답변

특정 문제를 해결하기 위해 실행가능한 명령어들의 집합으로 이루어진 디스크 상의 파일이다. 실행을 위해서 메모리에 적재하는 과정이 필요하다.

4. 프로그램이 실행되는 과정

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프로그램은 디스크에 저장되어 있다가 실행을 위해 메모리에 적재된다.
그 후 CPU에서는 프로그램 카운터를 통해 메모리 상에서 다음 실행되어야 할 명령어 라인을 가져오게 되고(Fetch), 가져온 명령어를 해석하는 과정을 거치게 된다.(Decode)
해석이 끝난 명령어는 바이너리 형태를 갖는데, 이는 ALU에서 실제 연산을 처리할 때 이용된다. 연산의 결과는 CPU 레지스터나 메모리에 저장되어 다음 연산에 사용될 수 있으며, 이후 프로그램 카운터를 증가시켜 앞의 과정을 반복하게 된다.

프로세스 & 스레드

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1. 프로세스 vs 스레드

> 답변

프로세스란 메모리에 올라가서 실행 중인 프로그램으로, 운영체제가 수행하는 CPU 스케줄링 작업의 대상이 되는 작업들을 의미한다.
스레드란 프로세스 내에서 실제 작업을 수행하는 주체를 의미한다. 프로세스 당 하나 이상의 스레드를 갖고 있으며 하나의 프로세스에서 여러 스레드가 동시에 동작하는 상황을 멀티 스레드라고 이야기한다.

2. 동시성과 병렬성의 의미 상 차이는?

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동시성이란 실제로 특정 시점에 실행되고 있는 프로세스는 하나일지라도 운영체제의 스케줄링에 의해 마치 동시에 여러개의 프로세스가 작동하는 것 같은 상황을 의미한다.
그에 반해 병렬성은 CPU가 둘 이상의 코어를 가지고 있어 여러개의 프로세스가 실제로 동시에 작동하는 것을 의미한다.

3. 프로세스와 스레드를 동시성의 맥락에서 비교한다면?

> 답변

두 경우 모두 컨텍스트 스위칭을 통해 동시성이 구현된다.
다만 프로세스 간 스위칭이 발생하는 경우엔 프로세스 실행 정보를 담은 PCB와 스레드 실행 정보를 담은 TCB가 모두 교체되는 반면, 동일 프로세스 내에서 스레드 간 스위칭이 발생하는 경우엔 스레드의 실행 정보를 담은 TCB만 교체된다.
따라서 동일 프로세스 내의 스레드 간 컨텍스트 스위칭이 발생하는 경우가 더 오버헤드가 적다.

4. 유저 레벨 스레드 vs 커널 레벨 스레드

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유저 레벨 스레드란 유저 모드에만 의존하는 개발자가 직접 구현했거나 라이브러리의 힘을 빌려 구현한 스레드를 의미한다. 이는 커널과는 무관하며, 이에 따라 운영체제는 해당 스레드의 존재 여부를 알 수 없다. Go 언어의 고루틴이 이에 해당한다. 해당 방식은 IO 발생 시 결국 전체 스레드들이 전부 블로킹되기 때문에 IO가 잦은 환경에서는 성능을 보장하기 어렵다.
커널 레벨 스레드란 커널 레이어에 의존하면서 운영체제가 직접 스케줄링을 수행하는 단위를 의미한다. 프로세스들은 모두 하나 이상의 커널 스레드를 가진다.

PCB & Context Switching

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1. Context Switching이 발생하는 상황에 대해 설명

> 답변

컨텍스트 스위칭이 발생하는 가장 일반적인 상황은 운영체제의 스케줄링에 의해 타임 슬라이스를 모두 소모한 프로세스가 다른 프로세스로 교체되는 상황이다. 이 외에도 IO 요청이나 인터럽트 등을 통한 시스템 콜이 발생한 경우에도 운영체제가 이를 처리하도록 하기 위해 컨텍스트 스위칭이 발생한다.

2. Switching이 발생 시 기존 실행 중이던 프로세스, 스레드는 어떻게 되는지?

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기존 실행 중이던 프로세스(혹은 스레드)는 실행 정보(프로그램 카운터, 메모리, IO 상태)들을 PCB(TCB)에 업데이트 한 뒤 이를 메모리에 저장하고 다음 프로세스가 실행된다.

IPC

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1. IPC란?

> 답변

프로세스는 서로 격리된 상태이기 때문에 일반적으로는 서로 통신이 불가능하다. 이 때 프로세스 간 통신을 가능케 해주는 것이 바로 IPC이다.
(Inter Process Communication)

2. IPC의 종류는?

> 답변

IPC의 종류로는 Message Queue, 소켓, 파이프 등의 방식이 있다.

File System

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1. 파일시스템이란?

> 답변

파일 시스템이란 디스크에 기록되는 비휘발성 데이터인 파일을 효과적으로 관리하기 위한 운영체제 내에 포함된 관리 체계이다.
파일 시스템은 실제 디스크에 데이터가 어떤 식으로 기록되어 있는지에 대한 추상화 레이어를 제공하기 때문에 파일 시스템을 통하면 파일들에 대한 접근 및 관리를 손 쉽게 할 수 있다.
또한 파일 단위로 권한 관리를 수행하여 데이터의 보안을 유지한다.

2. 특정 프로세스에서 파일을 읽는 과정을 설명

> 답변

특정 파일을 읽기 위해서는 커널 모드 권한이 필요하기 때문에 프로세스는 시스템 콜을 발생시킨다.
그 뒤엔 커널에서 파일을 읽을 때까지 해당 프로세스는 Waiting 상태에 빠지게 된다. 이 경우 프로세스가 하던 작업은 전부 블로킹된다.
파일을 다 읽은 뒤엔, 해당 프로세스의 상태가 Ready로 바뀌게 되며 OS 스케줄링에 의해 프로세스는 다시 재개된다.

3. 리눅스 기반 운영체제와 윈도우 운영체제의 차이를 파일시스템의 관점에서 비교한다면?

> 답변

윈도우는 주로 NTFS라는 파일 시스템을 사용하고, 리눅스 기반 운영체제에서는 EXT4라고 불리는 파일 시스템을 사용한다.
이들은 모두 데이터 저널링이라고 불리는 장애 극복 기술을 지원하고 각각의 운영체제에서 좋은 성능을 보인다는 공통점이 존재한다.
다만 NTFS의 경우 파일 조각화의 영향이 시간이 갈수록 상대적으로 크기 때문에 조각 모음을 따로 수행해주어야 한다는 차이와, EXT4에서는 파일 경로 상 대소문자를 구분하지만 NTFS에서는 그렇지 않다는 차이가 존재한다.
또한 기술 외적으로는 리눅스 기반 운영체제에서는 거의 대부분을 파일로 취급한다. 하드웨어 장치에 대한 관리도 파일을 통해서 수행하고, 파일 디렉터리 조차도 하나의 파일일 뿐이다. 이와 다르게 윈도우는 레지스트리 기반 운영체제로 불린다.

Race Condition

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1. 경쟁 상태란?

> 답변

공유 자원에 대해 여러 실행 주체가 동시다발적으로 접근, 및 처리를 수행할 때 실행 주체들의 작업이 동시성 문제를 유발할 수 있는 상황을 의미한다.
예를 들면, 멀티 스레드를 지원하는 프로세스에서 힙 영역에 대한 스레드들의 동시다발적 접근으로 발생할 수 있는 데이터 정합성 이슈를 들 수 있다.

2. 경쟁 상태를 완화하기 위한 방법은?

> 답변

공유 자원에 접근 시 락 메커니즘을 통하면 경쟁 상태를 완화할 수 있다.
이 때 락을 적용하기 위해 도입해 볼 수 있는 것은 뮤텍스가 있다. 다만 해당 메커니즘은 결국 성능 상 불이익이 있고, 락에 대한 관리가 미흡할 경우 데드락 등의 문제가 발생할 수 있다는 문제가 있다.

3. 데드락이란? 이를 해결하는 방법 하나를 제시한다면?

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데드락이란 둘 이상의 주체들이 둘 이상의 공유 자원에 대해 각각 상호 배제 락을 획득한 상황에서 서로의 공유 자원에 접근하기 위해 락을 영원히 기다리게 되는 상황을 의미한다.
이를 해결하기 위한 방법 중 하나로는, 공유 자원들의 락 획득 순서를 고정하는 방법이 있다.

Page & Segmentaition

1. 페이지 & 세그멘테이션이란?

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페이지와 세그멘테이션은 모두 운영체제가 프로세스에게 가상 메모리를 제공할 때 실제 메모리와 가상 메모리를 어떤 방식으로 매핑할 지에 따라 나뉘는 개념들이다.
세그멘테이션 방식은 가상 메모리 내에서 힙이나 코드 영역 같은 각 영역들을 하나의 세그먼트 단위로 보고, 세그먼트 별로 실제 메모리 상에 연속된 공간을 할당하는 방식을 의미한다. 세그멘테이션 방식은 프로세스가 사용하는 만큼만 메모리를 할당한다는 특징 덕분에 내부 단편화 문제는 발생하지 않지만, 세그먼트 별로 상이하고, 또 가변적인 메모리 크기적 특성 때문에 외부 단편화 문제가 발생한다.
페이징 방식은 실제 메모리들을 페이지라고 불리는 단위로 미리 쪼개두고, 페이지를 단위로 하여 프로세스 별로 할당하는 방식이다. 페이징 방식에서는 메모리를 분할하는 단위가 정해져있어서 외부 단편화 문제는 발생하지 않으나 할당 받은 각각의 페이지 별로 100% 전부를 사용하는가는 다른 문제이기 때문에 내부 단편화 문제가 발생한다.

2. 페이지 테이블과 TLB에 대하여 설명

> 답변

페이지 테이블이란 페이징 방식으로 가상 메모리를 관리할 때 프로세스들의 가상 메모리와 실제 메모리 간의 매핑 테이블로 메모리에 위치한다.
TLB란 페이지 테이블의 캐싱이라고 볼 수 있다. CPU 상에 위치하며 가상 메모리와 실제 메모리 간 매핑 정보를 빠르게 획득하기 위해 사용한다. 저장 공간 상의 문제로 모든 페이지 테이블을 저장하지는 못하며, 자주 사용되는 부분 집합을 갖고 있게 된다.

3. 페이지 교체가 발생하는 상황과 페이지 교체 알고리즘이 필요한 이유는?

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운영체제는 각 프로세스에 가상 메모리를 할당할 때 상당히 큰 메모리를 할당한다. 이 때 이 값은 실제 메모리의 크기보다 더 클 수 있다. 그렇기 때문에 실제 메모리가 가득차는 경우는 종종 발생하게 되는데, 운영체제는 이를 위해 디스크 상에 스왑 메모리 영역을 할당해두게 된다. 만약 메모리가 가득 찬 상황에서 새로운 메모리가 필요한 경우, 기존 메모리에 적재되어 있는 일부 범위를 디스크 내 스왑 영역으로 옮겨 담게 된다. 혹은 스왑 메모리 영역에 존재하는 프로세스를 스케줄링 하기 위해서는 기존 메모리에 존재하는 페이지와 교체해야 하는 상황이 발생하는데 이러한 상황들을 페이지 교체가 일어난다고 이야기 한다. 페이지 교체는 부하를 유발하는 작업이기 떄문에 어떤 페이지를 교체할지 정하는 것은 중요하다. 이 때 교체할 페이지를 선택하는 알고리즘이 바로 페이지 교체 알고리즘이다.

4. 페이지 교체 알고리즘의 종류로는?

> 답변

페이지 교체 알고리즘으로는 아래 방식들이 존재한다.
FIFO(First In First Out): 가장 먼저 사용하기 시작한 페이지부터 교체하는 정책
LRU(Least Recently Used): 사용 안한지 가장 오래된 페이지를 교체하는 정책. 사용 시점을 기록해야 하기 때문에 추가적인 메모리 소요.
LFU(Least Frequently Used): 사용 빈도가 가장 낮은 페이지부터 교체하는 정책 사용 빈도를 기록해야 하기 때문에 추가적인 메모리 소요.
NUR (Not Used Recently): 교체 우선 순위를 위해 2개의 비트(참조 비트, 변경 비트)만을 이용하는 교체 정책. 한번이라도 재참조, 변경이 발생할 경우 비트를 0 -> 1로 수정. LRU, LFU에 비해 메모리 사용이 적음.