S4) Unit 5. [컴퓨터 공학] 운영체제 & 문자열과 그래픽 & 가비지 컬렉션

📣  운영체제

𝟭. 운영체제란?

✔️ 하드웨어에게 일을 시키는 주체

 

𝟮. 운영체제의 목적 및 기능

✔️ 목적

➰ 처리능력 향상

➰ 사용 가능도 향상

➰ 신뢰도 향상

➰ 반환 시간 단축 등

 

✔️ 기능

➰ 프로세서, 기억장치, 입출력장치, 파일 및 정보 등의 자원을 관리

➰ 자원을 효율적으로 관리하기 위해 자원의 스케줄링 기능을 제공(어떤 자원을 누가, 언제, 어떤 방식으로 사용할지를 결정)

➰ 사용자와 시스템 간의 편리한 인터페이스를 제공

➰ 시스템의 각종 하드웨어와 네트워크를 관리하고 제어

 

𝟯. 운영체제의 시스템 자원 관리

✔️ 운영체제는 응용 프로그램이 하드웨어에게 일을 시킬 수 있도록 돕는다.

➰ 응용 프로그램 : 컴퓨터를 이용해 다양한 작업을 수행한다.

➰ CPU, RAM, 디스크 등 시스템 자원을 관리하는 주체가 운영체제 이다.

운영체제의 구조 모식도

✔️ 응용 프로그램 관리

➰ 해커의 공격에 대비하기 위해 응용 프로그램은 권한에 대한 관리가 필요하다.

➰ 응용 프로그램이 실행되고, 시스템 자원을 사용할 수 있도록 '권한'과 '사용자'를 관리한다.

 

✔️ 응용 프로그램: 운영체제를 통해 컴퓨터에게 일을 시키는 것

➰ 응용 프로그램이 운영체제를 통해 컴퓨터에게 일을 시키려면, 컴퓨터를 조작할 수 있는 권한을 운영체제로부터 부여받아야 하며 권란을 받고 나면 운영체제가 제공하는 기능을 이용할 수 있다.

➰ 응용 프로그램이 운영체제와 소통하기 위해서는, 운영체제가 응용 프로그램을 위해 인터페이스(API)를 제공해야 한다.

    ㄴ 이를 위해 운영체제 차원에서 다양한 함수를 제공하는 것을 '시스템 콜' 이라고 한다.

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📣  프로세스

 

𝟭. 프로세스란?

✔️ 프로그램이 실행 중인 상태로 특정 메모리 공간에 프로그램의 코드가 적재되고 CPU 가 해당 명령어를 하나씩 수행하고 있는 상태

➰ 실행 중인 하나의 애플리케이션을 '프로세스' 라고 부른다.

➰ 크롬 브라우저를 두 개 실행 => 두 개의 프로세스가 생성된다.

 

𝟮. 프로세스 구성 요소

1️⃣ 유저 메모리 영역 관리(Virtual Address Descriptors)

✔️ 프로세스 별로 독립된 영역을 가지게 되는 곳

➰ 커널 메모리 공간의 경우 모든 프로세스가 공유하며, 프로세스 별로 독립적인 유저 메모리 영역을 관리하기 위해서 VAD(Virtual Address Descriptors)라는 관리 테이블이 존재한다.

 

2️⃣ 핸들 테이블(Handle Table)

✔️ 프로세스에서 사용하는 모든 핸들에 대한 커널 객체 포인터 정보를 배열 형태로 가지고 있는 공간

➰ 프로세스가 종료하게 될 때 이 테이블의 정보를 참고하여 이 프로세서에서 사용하고 있는 모든 커널 객체를 자동으로 반환한다.

 

3️⃣ 독립적인 메모리 공간

✔️ 프로세스마다 별도의 고유한 메모리를 사용할 수 있게 한다.

 

𝟯. 프로세스 특징

1️⃣ 자원 소유의 단위

➰ 각각의 프로세스는 자신의 실행 이미지 로드와 실행에 필요한 추가적인 메모리 공간을 가지고 있어야하며, 이는 각 프로세스마다 구별되어야 한다.

➰ 이 공간은 해당 프로세스가 접근하고자 하는 파일, I/O 장치들에 대해서도 프로세서 단위로 할당 받아 관리되어야 한다.

 

2️⃣ 디스패칭의 단위

➰ 프로세스는 하나의 프로그램이 운영체제로부터 CPU 의 자원을 일정 기간 동안 할당 받아 명령어를 실행하는 것이며, 운영체제는 여러 개의 프로세스가 병렬적으로 실행되게 하기 위해서 CPU 의 사용 시간을 각각의 프로세스에 골고루 나눠주어야 한다.

➰ 하나의 프로세스에서 여러 개의 디스패칭 단위가 실행될 수 있도록 하고 있으며, 이러한 디스패칭 단위를 '스레드' 라고 부른다.

 

𝟰. 프로세스 상태

✔️ 실행(Run) : 프로세스가 프로세서를 차지하여 서비스를 받고 있는 상태

✔️ 준비(Ready) : 실행될 수 있도록 준비되는 상태

✔️ 대기(Waiting) : CPU 의 사용이 아니라 입출력의 사건을 기다리는 상태

 

𝟱. 프로세서 VS 프로세스

✔️ 둘은 엄연히 다른 개념!

 

1️⃣ 프로세서(Processor)

✔️ 하드웨어적인 측면

➰ 컴퓨터 내에서 프로그램을 수행하는 하드웨어 유닛

➰ 중앙처리장치(CPU)를 의미하며 적어도 하나 이상의 ALU와 레지스터를 내장하고 있다.

 

✔️ 소프트웨어적인 측면

➰ 데이터 포맷을 변환하는 역할을 수행하는 데이터 처리 시스템을 의미

➰ 워드프로세서나 컴파일러 등이 있다.

 

2️⃣ 프로세스(Process)

➰ 프로세스는 특정 목적을 수행하기 위해 나열된 작업의 목록을 의미

➰ 메모리에 적재 되어 프로세서에 의해 실행 중인 프로그램을 프로세스라고 볼 수 있다.

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📣  스레드

𝟭. 스레드란?

✔️ 명령어가 CPU 를 통해서 수행되는 객체의 단위

➰ 하나의 프로세스 내에는 반드시 1개 이상의 스레드가 존재한다.

➰ 같은 프로세스에 있는 자원과 상태를 공유한다.

    ㄴ 같은 프로세스 내에 있는 스레드는 같은 주소 공간에 존재하게 되며 동일한 데이터에 접근할 수 있다.

    ㄴ 하나의 스레드가 수정한 메모리는 같은 메모리를 참조하는 스레드에 영향을 미친다.

 

𝟮. 스레드는 왜 필요한가?

✔️ 여러 개의 작업 단위로 구성된 프로그램에서 요청을 동시에 처리하기 위함이다.

 

𝟯. 스레드의 구성요소

1️⃣ 가상 CPU : 인터프리터, 컴파일러에 의해 내부적으로 처리되는 가상 코드

2️⃣ 수행 코드 : Thread Class에 구현되어 있는 run() Method 코드

3️⃣ 처리 데이터 : Thread에서 처리하는 데이터

 

𝟰. 스레드의 특징

1️⃣ 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이다.

➰ 하나의 스레드는 시작해서 종료할 때까지 한번에 하나씩 명령들을 수행한다.

 

2️⃣ 각 스레드마다 call stack이 존재(call stack: 실행 중인 서브루틴을 저장하는 자료 구조)하며, 나머지 Code, Data, Heap 영역은 스레드 끼리 공유한다.

➰ 반대로 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.

 

3️⃣ 스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작한다.

➰ 독립적으로 동작하기 때문에 두 개 이상의 스레드가 동작되는 경우, 두 개 이상의 스레드의 실행 및 종료순서는 예측할 수 없다.

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📣  싱글 스레드

𝟭. 싱글 스레드란?

✔️ 프로세스가 단일 스레드로 동작하는 방식으로, 일련의 처리를 단일 스레드만으로 직렬 처리하는 프로그래밍 방법

➰ 하나의 레지스터, 스택으로 표현하며 자바스크립트가 가장 대표적인 싱글 스레드 언어이다.

 

𝟮. 싱글 스레드의 장점

1️⃣ 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 된다.

➰ 여러 개의 스레드가 자원을 공유할 경우에는 스레드들이 동시에 같은 자원에 접근하지 못하도록 제어해줘야 한다.

2️⃣ 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 되므로 문맥 교환(context switch) 작업 또한 요구하지 않는다.

➰ 문맥 교환 : 여러 개의 프로세스가 하나의 프로세서를 공유할 때 발생하는 작업으로 많은 비용을 필요로 한다.

3️⃣ 프로그래밍 난이도가 쉽고, CPU 메모리를 적게 사용한다.

 

𝟯. 싱글 스레드의 단점

1️⃣ 여러 개의 CPU를 활용하지 못한다.

➰  싱글 스레드는 하나의 물리적 코어밖에 사용하지 못해 멀티 코어 머신에서 CPU 사용을 최적화할 수 없다.

2️⃣ 연산량이 많은 작업을 하는 경우, 그 작업이 완료되어야 다른 작업을 수행할 수 있다.

3️⃣ 에러 처리를 못하는 경우 멈추게 된다.

 

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📣  멀티 스레드

𝟭. 멀티 스레드란?

✔️ 나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것

➰ 멀티 프로세스 : 여러 개의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에 수행하는 것

 

𝟮. 멀티 스레딩의 장점

1️⃣ 작업을 분리해서 수행하므로 실시간으로 사용자에게 응답할 수 있다.

2️⃣ 한 프로세스를 여러 프로세서에서 수행할 수 있으므로 효율적이다.

 

𝟯. 멀티 스레딩의 문제점

1️⃣ 주의 깊은 설계가 필요하며, 디버깅이 까다롭다.

2️⃣ 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어려우며 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다.

➰ 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.

3️⃣ 자원 공유의 문제가 발생한다.

➰ 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받게 된다.

4️⃣ 문맥 교환 작업이 필요하다.

➰ 문맥 교환 : CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 과정

    ㄴ 다른 태스크(프로세스, 스레드)가 시작할 수 있도록 이미 실행 중인 태스크(프로세스, 스레드)를 멈추는 것

 

𝟰. 동시성과 병렬성의 차이

1️⃣ Concurrency(동시성, 병행성) : 여러 개의 스레드가 시분할 방식으로 동시에 수행되는 것처럼 착각을 불러일으킨다.

➰ 시분할 : 운영체제(또는 가상 머신)는 각 스레드를 시간에 따라 분할하여, 여러 스레드가 일정 시간마다 돌아가면서 실행되도록 한다.

2️⃣ Parallelism(병렬성) : 멀티 코어 환경에서 여러 개의 스레드가 실제로 동시에 수행된다.

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📣  문자열

𝟭. 유니코드란?

✔️ 유니코드 협회(Unicode Consortium)가 제정하는 전 세계의 모든 문자를 컴퓨터에서 일관되게 표현하고 다룰 수 있도록 설계된 산업 표준

➰ ISO 10646 문자 집합, 문자 인코딩, 문자 정보 데이터베이스, 문자를 다루기 위한 알고리즘 등을 포함하고 있다.

➰ 유티코드가 없던 시절에는 같은 한글이 적인 텍스트 파일이라도 표현하는 방법이 달라 어떤 파일이 지원하지 않는 다른 인코딩 형식으로 저장되어 있는 경우에는 파일을 제대로 불러올 수 없었다.

➰ '현존하는 문자 인코딩을 모두 유니코드로 교체하는 것'이 유니코드의 목적이다.

 

𝟮. ASCII 문자란?

✔️ 영문 알파벳을 사용하는 대표적인 문자 인코딩으로 7 비트로 모든 영어 알파벳을 표현할 수 있다.

➰ 52개의 영문 알파벳 대소문자와, 10개의 숫자, 32개의 특수 문자, 하나의 공백 문자를 포함한다.

 

𝟯. UTF-8과 UTF-16의 차이점은?

✔️ 인코딩 방식의 차이를 의미한다.

➰ UTF- 뒤에 나오는 숫자를 비트(bit) 이다.

 

1️⃣ UTF-8 : 가변 길이 인코딩

✔️ 유니코드 한 문자를 나타내기 위해 1 byte(= 8 bits)에서 4 bytes까지 사용한다.

➰ 바이트 순서를 따지지 않고 순서가 정해져 있다.

let encoder = new TextEncoder(); // 기본 인코딩은 'utf-8'
encoder.encode('코') // Uint8Array(3) [236, 189, 148]

(236).toString(2) // "11101100"
(189).toString(2) // "10111101"
(148).toString(2) // "10010100"

encoder.encode('b') // Uint8Array [98]
(98).toString(2) // "1100010"

➰ 사용된 문자에 따라 더 작은 크기의 문자열을 표현할 수 있기 때문에 네트워크를 통해 전송되는 텍스트는 주로 UTF-8로 인코딩된다.

➰ ASCII 코드의 경우 1 byte, 크게 영어 외 글자는 2byte, 3byte, 보조 글자는 4byte를 차지하며, 이모지는 보조 글자에 해당하기 때문에 4byte가 필요하다.

 

2️⃣ UTF-16 : 코드 그대로 바이트로 표현 가능하며, 바이트 순서가 다양하다.

✔️ 유니코드 코드 대부분(U+0000부터 U+FFFF; BMP) 을 16 bits로 표현한다.

➰ 대부분에 속하지 않는 기타 문자는 32 bit(4 bytes)로 표현하므로 UTF-16도 가변 길이라고 할 수 있으나, 대부분은 2 바이트로 표현한다.

➰ 이진법으로 표현된 문자를 16 bits(2 bytes)로 그대로 사용하며, 바이트 순서(엔디언)에 따라 UTF-16의 종류도 달라진다.

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📣  그래픽

𝟭. 비트맵

✔️ 웹 상에서 디지털 이미지를 저장하는 데에 가장 많이 쓰이는 이미지 파일 포맷 형식

➰ 일반적으로는 래스터 그래픽(점 방식)이라고 하며, 이미지의 각 점들을 격자형의 픽셀 단위로 구성된다.

➰ 한 지역을 차지하는 셀은 위치에 따라 다른 값을 갖는다.

➰ 비트맵은 사각의 픽셀 형태로 모여 있기 때문에 확대를 하면 ‘계단현상’ 또는 ‘깨짐 현상’이 발생하며, 경계가 뚜렷하지 않다.

➰ 픽셀 하나 당 모두 색상 값을 가지고 있어서 이미지의 사이즈가 커질수록 용량 또한 무거워진다.

 

𝟮. 벡터

✔️ 이미지를 수학적인 공식으로 표현한 것

➰ 수학적 원리로 그림을 그리기 때문에 비트맵과는 달리 아무리 확대를 해도 ‘계단현상’ 또는 ‘깨짐 현상’이 발생하지 않는다.

➰ 비트맵에 비해 컴퓨터에게 부담을 가하는 방식이므로 주로 도형, 글자 등을 그리는 작업에 사용된다.

➰ 수학적인 연산으로 만들어진 이미지이기 때문에 사이즈를 키워도 용량에는 변화가 없다.

비트맵 VS 벡터

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📣  가비지 컬렉션

𝟭. 가비지 컬렉션이란?

✔️ 프로그램에서 더 이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 정리하는 것

➰ JavaScript는 고수준 언어로서, 객체가 생성되었을 때 자동으로 메모리를 할당하고 필요하지 않다면 자동으로 해제하는 가비지 컬렉션이 내장되어 있다.

 

𝟮. 메모리 생존주기

1️⃣ 필요할 때 개발자가 할당한다.

2️⃣ 할당된 메모리를 사용한다. (Read and Write)

➰  개발자가 변수를 선언해 값을 할당하여 사용하는 부분

3️⃣ 메모리가 더이상 필요하지 않으면 해제한다.

➰ JavaScript와 같은 고수준 언어에서는 암묵적으로 작동한다.

 

𝟯. 메모리 할당

✔️ 프로그래머 대신, 값을 선언할 때 자동으로 메모리를 할당해준다.

let arr = [100, 200, 300, 400]

➰ JavaScript가 배열과 배열에 담긴 값들을 위한 메모리 크기 할당을 알아서 진행한다.

 

𝟰. 할당된 메모리 사용(값 사용)

✔️ 할당된 메모리를 읽고 쓰는 것을 의미

➰ 변수나 객체 속성의 값을 읽고 쓰거나, 함수 호출 시에 함수에 인수를 전달하여 수행하는 방식으로 일어난다.

 

𝟱. 메모리 해제

✔️ 가비지 컬렉션의 목적은 메모리 할당을 추적하고, 할당된 메모리 블록이 더이상 필요하지 않게 되었는지를 “스스로” 판단하여 필요하지 않다고 판단이 된다면 해당 메모리를 해제한다.

➰ 언어 스스로 메모리가 여전히 필요한지 필요하지 않은지 판단하는 것은 비결정적인 영역이므로 내장된 가비지 컬렉터들은 제한적인 해결책을 구현한다.

 

𝟲. 대표적인 가비지 컬렉션의 방법

✔️ 가비지 컬렉션 알고리즘이 의존하고 있는 개념은 '참조' 이다.

➰ 참조 : 명시적이든, 암묵적이든 관계없이 메모리 관리 관점에서 어떤 객체가 다른 객체에 접근할 수 있다면 다른 객체를 참조한다고 말한다.

➰ 객체를 참조하는 것에 대해, 객체란 협의적 개념으로 일반적인 JavaScript 객체를 의미하지만 광의적 개념으로 함수 스코프(function scope)나 글로벌 렉시컬 스코프(global lexical scope)까지도 포함한다.

 

1️⃣ 레퍼런스 카운팅(참조 횟수 계산)

✔️ 한 객체를 참조하는 변수의 수를 추적하는 방법으로 가장 단순한 형태의 가비지 컬렉션 알고리즘

➰ 객체를 참조하는 변수는 처음에는 특정 메모리에 대해 레퍼런스가 하나뿐이지만, 변수의 레퍼런스가 복사될 때마다 레퍼런스 카운트가 늘어나고, 객체를 참조하고 있던 변수의 값이 바뀌거나, 변수 스코프를 벗어나면 레퍼런스 카운트는 줄어든다.

➰ 레퍼런스 카운트가 0이 되면, 그 객체와 관련한 메모리는 비울 수 있다 => 레퍼런스 카운트가 0이 된다는 말은 아무도 그 객체에 대한 레퍼런스를 가지고 있지 않다는 의미

➰ 순환 참조로 인한 문제가 생길 가능성이 높다.

function reference() {
  var obj1 = {};
  var obj2 = {};
  obj1.p = obj2; 
  obj2.p = obj1; 
}
reference();

// 두 객체가 생성되고 서로를 참조하고 있는 형태이기 때문에 순환 참조가 발생
// 이 객체들은 함수 호출 뒤에는 스코프를 벗어나게 되므로 실질적으로 쓸모가 없게 된다.
// 이들이 차지하던 메모리는 반환될 수 있지만, 레퍼런스 카운팅 알고리즘에서는 두 객체가 적어도 한 번은 참조한 것으로 간주되기 때문에 둘 다 가비지컬렉션이 될 수 없다.

 

2️⃣ 트레이싱

✔️ 한 객체에 flag를 두고, 가비지 컬렉션 사이클마다 flag에 표시 후 삭제하는 mark and sweep 방법

➰ 객체에 in-use flag를 두고, 사이클마다 메모리 관리자가 모든 객체를 추적해서 사용 중인지 아닌지를 표시(mark) 한다.

➰ 그 후 표시되지 않은 객체를 삭제(sweep)하는 단계를 통해 메모리를 해제한다.

➰ mark and sweep 알고리즘은 객체가 필요한지 결정하기 위해 해당 객체에 닿을 수 있는지 (reachable)을 판단한 후 3단계를 거친다.

    ㄴ 1. 루트(Roots): 일반적으로 루트는 코드에서 참조되는 전역 변수로, 가비지컬렉터는 모든 루트의 완전한 목록을 만든다.

    ㄴ 2. 모든 루트와 그 자식들을 검사해서 활성화 여부를 표시한다. (활성상태이면 가비지가 아님, 루트가 닿을 수 없는 것들은 가비지로 표시됨)

    ㄴ 3. 가비지컬렉터는 활성으로 표시되지 않은 모든 메모리를 OS에 반환한다.

 

𝟳. 메모리 누수

✔️ Garbage collected 언어에서 메모리 누수의 주요 원인은 '예상치 못한 참조'

➰ 예상치 못한 참조 : 개발자는 더 이상 사용되지 않을 것이라 생각했지만, 어떠한 이유로 활성화 상태인 루트 트리 안에 존재하는 메모리 조각들

1️⃣ 우발적으로 생성된 전역변수

2️⃣ DOM 외부에서의 참조

3️⃣ 클로저의 잘못된 사용