Yoo 스터디

[CS 스터디] 스택 오버플로우 (Stack Overflow), 힙 오버플로우 (Head Overflow)

yooja_tea — Fri, 21 Jul 2023 13:57:36 +0900

프로세스 주소 공간에 대해 공부하며 스택 오버플로우, 힙 오버플로우에 대한 궁금증이 생겼다.

메모리에서 스택 영역은 큰 주소값에서 작은 주소값으로 할당되고, 힙 영역은 작은 주소값에서 큰 주소값으로 할당된다.

(이는 버퍼 오버플로우를 막기 위해서 이다. 스택 영역 뒤에는 커널 영역이 있는데, 만약 스택 영역을 초과하는 크기의 데이터를 저장하면 커널 영역을 침범해 데이터를 조작하는 등 해킹이 일어날 수 있다. 때문에 스택 영역은 큰 주소에서 작은 주소로 메모리를 할당한다.)

버퍼 오버플로우
- 연속된 메모리 공간을 사용하는 프로그램이 할당된 메모리 영역을 벗어난 위치에서 데이터를 읽거나 쓰려고 할 때 발생하는 것
- 버퍼 오버플로우가 발생하면 프로그램이 오작동하거나, 공격자가 임의의 코드를 삽입시켜 해킹할 수 있다.

스택 오버플로우

스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되고, 함수가 종료하면 해제되는 공간이다.

만약 프로그램에서 함수의 재귀 호출이 무한히 반복되면 스택 오버플로우가 발생할 수 있다.

함수의 재귀 호출이 무한히 발생한다.
스택 프레임이 스택 영역에 계속 쌓이게 된다.
스택 영역의 모든 공간이 찼을 때, 다시 함수를 호출하게 되면 그때 생기는 스택 프레임은 스택 영역을 넘어가서 저장하게 된다.
이렇게 되면 해당 프로그램은 오작동을 하거나 보안상 큰 취약점을 가지게 된다. 따라서 프로그래밍 언어에서는 스택 오버플로우가 발생하면 에러를 발생시키고 프로그램을 강제 종료 시킨다.

http://www.tcpschool.com/c/c_memory_stackframe

힙 오버플로우

힙 영역은 런타임 시에 애플리케이션에 의해 동적으로 할당, 해제되는 메모리 영역이다.

힙에 문자열, 객체 등이 저장될 때 미리 지정한 크기의 힙 메모리 사이즈를 초과하여 저장될 경우 버퍼 오버플로우가 발생한다.

(ex) 악의적으로 힙 영역을 벗어나 데이터를 변경하거나 함수 주소를 변경

[CS 스터디] PCB (Process Control Block)

yooja_tea — Fri, 21 Jul 2023 01:22:47 +0900

참고: tech-interview-for-developer

Process Management

운영체제는 여러 개의 프로세스의 실행 순서를 관리하고, CPU 등 자원을 배분하고 관리해야 한다.

이때 각 프로세스를 구분할 수 있어야 관리가 가능하다. 각 프로세스의 정보를 Process metadata라고 한다.

Process Metadata
- Process ID (PID) : 프로세스를 식별하기 위한 고유 번호
- Process State
- Process Priority
- CPU Register
- Owner
- CPU Usage
- Memory Usage

Process Metadata는 프로세스가 생성되면 PCB에 저장된다.

PCB (Process Control Block)

Process metadata를 저장하는 블록

한 PCB 안에는 한 프로세스의 정보가 담긴다.
프로세스 생성 시 커널 영역에 생성되어 프로세스를 식별하는 정보로 사용한다. 프로세스가 종료되면 폐기된다.

프로그램 실행 → 프로세스 생성 → 프로세스 주소 공간 생성 (코드, 데이터, 스택) → 해당 프로세스의 메타데이터가 PCB에 저장

PCB가 필요한 이유?

CPU는 프로세스의 상태에 따라 교체 작업이 이뤄진다. (인터럽트가 발생해 할당받은 프로세스가 waiting 상태가 되고 다른 프로세스를 running으로 바꿔 실행할 때)
이때 현재 waiting 상태로 변한 프로세스에 관한 저장 값을 PCB에 저장해둔다.

PCB 관리 방법

Linked List 방식으로 관리
PCB List Head에 PCB들이 생성될 때마다 붙게 된다. = 프로세스가 생성되면 해당 PCB가 생성되어 리스트에 붙게 되고, 프로세스 완료 시 리스트에서 제거한다.
주소값으로 연결되어 있는 연결 리스트로 삽입, 삭제가 용이하다.

Context Switching

CPU가 수행 중인 프로세스를 변경할 때 이전 프로세스 상태(context)를 PCB에 보관하고, 새로운 프로세스의 정보를 PCB에서 읽어 레지스터에 적재하는 과정

보통 인터럽트 발생, 실행 중인 CPU 사용 허가 시간을 모두 소모, 입출력을 위해 대기해야 하는 경우 발생한다.
- 즉, 프로세스가 Ready → Running, Running → Ready, Running → Waiting 상태 변경 시 발생
Multi Processing을 위해 필수

Context Switching OverHead

Context Switching 동안에는 CPU가 작업을 할 수 없다. 때문에 잦은 context switching은 성능에 좋지 않다.

프로세스의 레지스터 개수, 데이터의 종류 등에 영향을 받는다.
성능 개선을 위해 Conext의 데이터 양을 줄여야 한다.
- thread 간에는 공유하는 메모리 영역이 있기 때문에 프로세스에 비해 context switching 비용이 적다.

[CS 스터디] 시스템 콜, fork() wait() exec()

yooja_tea — Fri, 21 Jul 2023 01:20:00 +0900

참고: OS - 시스템 호출

참고: 시스템콜, 시스템 호출이란

운영체제는 사용자가 컴퓨터를 효과적으로 사용하도록 컴퓨팅 자원을 직접적으로 관리한다. 따라서 응용 프로그램은 운영체제가 제공하는 인터페이스를 통해서 컴퓨팅 자원을 이용하는데, 이러한 인터페이스를 시스템 콜이라고 부른다.

커널 모드 vs 사용자 모드

운영체제는 커널 모드(Kernel Mode)와 사용자 모드(User Mode)로 나뉘어 구동된다.

Kernel Mode
- 운영체제가 CPU를 사용하는 모드, 하드웨어를 제어하는 명령어 (Privileged Instructions)를 실행
- ~~PC 레지스터가 운영체제가 존재하는 부분을 가리킴~~
- 시스템 콜을 통해 커널 모드로 전환된다.
User Mode
- 사용자 애플리케이션 코드가 실행되는 모드
- ~~PC 레지스터가 사용자 프로그램이 올라가 있는 메모리 위치를 가리킴~~
- 해당 모드에서는 하드웨어 (디스크, I/O 등)에 접근할 수 없다.

시스템 콜이 필요한 이유?
응용 프로그램으로 대표되는 유저 프로세스는 유저 모드에서 실행되기 때문에 커널의 기능을 직접 사용할 수 없다. 커널 모드로 전환 후에 해당 작업을 수행할 수 있다. 만약 해커가 악의적으로 하드웨어를 조작하거나, 사용자가 실수로 하드웨어를 조작하는 경우 시스템 전체에 큰 장애가 발생할 수 있다. 이를 막기 위해 이러한 명령들은 커널 모드에서만 실행할 수 있도록 설계되었다.

System Call

시스템 콜은 이러한 커널 모드의 기능을 사용자 모드가 사용 가능 하게 해 준다.

즉, 응용 프로그램이 하드웨어에 접근해 필요한 기능을 사용할 수 있도록 해주는 인터페이스이다.

프로그래밍 언어는 시스템 콜을 편리하게 사용하기 위한 수단으로 API를 제공한다.
각 시스템 콜에는 번호가 할당되고, 시스템 콜 인터페이스는 시스템 콜 번호와 시스템 콜 핸들러 함수 주소로 구성되는 시스템 콜 테이블을 유지한다.

다양한 기능의 시스템 콜을 제공한다. 이중 프로세스 제어 시스템 콜 중 fork, exec, wait에 대해 정리했다.

프로세스 제어
파일 조작
장치 조작 (Device Manipulation)
정보 유지
통신
보호

https://codybuilder.com/41

프로세스 제어 시스템 콜

참고: fork, exec, wait

fork(), exec() : 프로세스 생성과 관련 있는 명령
wait() : 프로세스(parent)가 만든 다른 프로세스(child)가 끝날 때까지 기다리는 명령

fork()

새로운 프로세스를 생성
fork가 실행되는 순간 프로세스가 하나 더 생긴다. 이때 생긴 child 프로세스는 fork를 만든 프로세스와 동일한 복사본을 가지게 된다.
이러면 OS는 똑같은 2 개의 프로그램이 동작한다고 생각하고 fork()가 return 될 차례라고 생각한다. 그 때문에 새로 생성된 Child 프로세스는 main에서 시작하지 않고 if 문부터 시작하게 된다.
스케쥴러가 어떤 프로세스를 먼저 수행할지는 확신할 수 없다. (보장하지 못함)

wait()

Child 프로세스가 종료될 때까지 기다리는 작업
wait을 통해서 Parent 프로세스를 Child 프로세스가 실행이 끝날 때까지 기다리게 할 수 있다.
Parent가 먼저 실행되더라도 wait()는 Child가 끝나기 전에는 return 하지 않으므로 반드시 Child가 먼저 실행된다.

exec()

단순 fork()는 동일한 프로세스의 내용을 여러 번 반복 동작할 때 사용한다.
만약 Child 프로세스에서 Parent 프로세스와 다른 동작이 하고 싶을 때는 exec를 사용한다.
exec가 실행되면, execvp(실행 파일, 전달 인자) 함수는 Code Segment(프로세스의 주소 공간 중)에 실행 파일의 코드를 읽어와서 덮어 씌운다.
이후 heap, stack, 다른 메모리 영역이 초기화되고 OS는 덮어 씌워진 메모리 영역을 그냥 실행한다. 즉, 새로운 프로세스를 생성하지 않고 현재 프로그램에 wc라는 파일을 실행한다. 그로 인해 execvp() 이후 부분은 실행되지 않는다.

[Java] HashMap

yooja_tea — Thu, 20 Jul 2023 11:13:35 +0900

참고: 자바 HashMap 사용법

HashMap

Map 인터페이스를 구현한 대표적인 Map 컬렉션

Hashing + Map
Map은 <키, 값> 구성된 객체를 저장하는 자료구조
키는 중복될 수 없다. → 동일한 키로 값을 저장하면 기존 값은 사라지고 새로운 값으로 대치
Hash을 사용 → 데이터를 검색하는데 뛰어난 성능을 보인다.

HashMap 생성

import java.util.Map
import java.util.HashMap

Map<String, Integer> map = new HashMap<String, Integer>();
Map<String, Integer> map = new HashMap<>(); // 타입 생략 가능
Map<String, Integer> map = new HashMap<>(10); // 초기 용량 지정
Map<String, Integer> map = new HashMap<>() {{ // 초기값 지정
	put("key1", 1);
}};

HashMap 사용

map.put("key1", 1); // <키, 값> 추가
map.put("key1", 2); // 동일한 키 > 새로운 값으로 덮어씌워진다. 

map.get("key1"); // 키에 해당하는 데이터 출력

map.remove("key1"); // 키에 해당하는 데이터 제거
map.clear(); // map의 모든 데이터 제거

map.containsKey("key1"); // map에 특정 키가 존자해는지 여부
map.containsValue(10); // map에 특정 값이 존자해는지 여부

HashMap 순회

entrySet() 사용 : map의 모든 데이터 <키, 값> 출력
keySet() 사용 : map의 모든 키 출력

Key 값을 사용해 Value를 확인하는 과정에서 많은 시간이 소모된다. 많은 양의 데이터를 확인해야 한다면 entrySet() 을 사용하는 것이 좋다.

// entrySet() 사용
for (Entry<String, Integer> entry: map.entrySet()) {
		System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getValue());
}

// keySet**() 사용**
for (String key: map.keySet()) {
		System.out.println(key + " : " + map.get(key));
}

iterator 사용: 보다 빠르게 원소에 접근할 수 있다.

Iterator<Entry<String, Integer>> iter = map.entrySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
		Entry<String, Integer> entry = iter.next()
		System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getVaue());
}

Iterator<String> iter = map.keySet().iterator();
while (iter.hasNext()) {
		String key = iter.next()
		System.out.println(key + " : " + map.get(key));
}

HashMap의 값을 변경하는 방법

특정 키에 해당하는 값만 변경

map.put("key1", 10);
map.put("key1", map.get("key1")*10);
map.replace("key1", 10);

특정 조건에 해당하는 모든 값 변경

map.replaceAll((key, value) -> {
	if (key.contains("x2")) {
		return value * 2;
	} else {
		return value;
	}
});

[Spring] JPA - 양방향 연관 관계 mappedBy, @JoinColumn

yooja_tea — Tue, 18 Jul 2023 23:12:20 +0900

참고: ORM 이란

참조: @JoinColumn과 연관관계 주인

1. ORM

Object Relational Mapping, 객체-관계 매핑

관계형 데이터베이스의 데이터를 객체지향적 언어로 자동으로 매핑(연결)해주는 것을 말한다.

객체 지향 프로그래밍은 클래스를 사용하고, 관계형 데이터베이스는 테이블을 사용하기 때문에 객체 모델과 관계형 모델 간에 불일치가 존재한다.
ORM을 통해 객체 간의 관계를 바탕으로 SQL을 자동으로 생성하여 불일치를 해결한다.
데이터베이스 데이터 <—매핑—> Object 필드
이를 통해 Spring에서 객체를 사용해 간접적으로 데이터베이스 데이터를 다룰 수 있다.
Persistent API라고도 할 수 있다. Ex) JPA, Hibernate 등

데이터베이스의 관계의 종류는 크게 세 가지가 있다.

1 : 1 - One to One
- 한 테이블 레코드 하나와 다른 테이블의 레코드 한 개가 연관되는 관계
- 보통 1:1의 관계는 테이블을 하나로 합쳐서 표현하기 때문에 흔하지 않다.
- 특정 데이터를 성능이나 보안적 측면에서 나눠야 하는 경우 사용된다.
- 보통 Foreign key 컬럼에 Unique 제약 사항을 적용함으로써 구현한다.
1 : N - Many to One
- 한 테이블의 레코드가 다른 테이블의 레코드 0 개 이상과 연관된 관계
- 가장 흔한 관계 (ex) 게시글 → 댓글, 가게 → 상품 등)
N : N - Many to Many
- 한 테이블의 레코드 0 개 이상과 다른 테이블의 레코드 0 개 이상이 연관된 관계
- 양쪽 테이블의 PK를 Foreign key 로 가지는 제 3의 테이블을 만들어 표현한다. 이를 Associative Table 또는 Join Table 이라고 부른다.

JPA에서 1:N, N:N을 나타내는 어노테이션을 제공한다.

@ManyToOne, @OneToMany
@ManyToMany

2. 양방향 관계 mappedBy

자바에서 객체 참조는 방향성이 있다. 따라서 양방향 관계가 필요한 경우 연관을 두 번 정의해야 한다.

하지만 RDBMS에서는 방향이 없기 때문에 외래키 하나로 두 테이블의 연관관계를 관리한다.

때문에 자바에서 @OneToMany의 mappedBy 속성을 사용해 양방향 연관 관계를 가지는 두 엔터티 중 외래키를 관리할 객체를 지정해줘야 한다.

mappedBy에 owner 엔터티의 필드명을 지정한다.
연관관계의 주인은 mappedBy 속성을 사용하지 않는다.
mappedBy를 사용하지 않으면, N:1 관계의 경우 Join table이 생성되며 1:1 관계의 경우 각 테이블에 서로를 참조하는 FK가 설정된다.

양뱡향 연관 관계 두 엔터티 중 어떤 엔터티가 Owner?

N:1 양방향 관계
- N:1 관계를 가진 쪽이 외래키 owner가 된다. → @OneToMany 쪽의 컬렉션 컬럼에 mappedBy 속성을 작성
1:1 양방향 관계
- 반대 엔터티에 대한 FK를 가지는 쪽이 owner가 된다.
N:N 양방향 관계
- 양쪽 아무나 owner가 될 수 있다.

예시

@Entity
public class Lecture {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long id;

    @ManyToOne
	private Instructor instructor; // Lecture -> Instructor

    // ...
}

@Data
@Entity
public class Instructor {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long id;

    private String firstName;
    private String lastName;

    @OneToMany(mappedBy = "instructor")
    private List<Lecture> lectures;
}

cf) 양방향 관계에서 주의할 점

참고:

위 예시 코드를 보면 Lecture 와 Insructor 각각 @Data 어노테이션이 설정되어 있어 각각 toString을 호출할 수 있다.

만약 lecture.toString()을 호출하면 내부의 필드의 toString을 호출하고, Instructor.toString을 호출하게 된다. Instructor 클래스에도 Lecture가 있기 때문에, Lecture.toString을 호출한다.

이렇게 두 엔터티가 반복적으로 서로의 toString을 호출하면서 stackOverFlow 에러가 발생하게 된다.

해결 방법

다양한 해결 방법이 존재하는데 두 가지만 정리해 보겠다.

두 객체 중 한 객체에서 JSON 직렬화를 막는다.
- @JsonManagedReference : 해당 필드는 직렬화를 허용한다.
- @JsonBackRefrence : 해당 필드는 직렬화하지 않도록 막는다. (역직렬화 중에 해당 필드 값은 Managed 링크가 있는 인스턴스로 설정된다.)
@JsonIgnoreProperties 사용
- 이 어노테이션이 붙은 필드는 JSON 데이터에 null로 들어가게 된다.

3. @JoinColumn

외래키를 매핑할 때 사용하는 어노테이션

name 속성 : 매핑할 외래키 컬럼명, 단순히 컬럼명을 만들어 주는 역할
referencedColumnName 속성 : 외래키가 참조하는 대상 테이블의 컬럼명, 대상 테이블의 어떤 컬럼을 참조하는지 지정
foreignKey 속성 : 외래키 제약조건을 직접 지정할 때 사용, 테이블을 생성할 때만 사용한다.
그 외 @Column 속성과 동일 (unique, nullable, insertable, updatable, columnDefinition, table)

@JoinColumn을 생략하면 외래키를 찾는 전략으로 참조하는 테이블의 기본 키 컬럼명을 사용한다.

예시

현재 Lecture와 Instructor가 N:1 관계를 가지고 있다. @JoinColumn을 생략했기 때문에 Instructor의 기본키인 id (실제 테이블에서는 instructor_id)를 참조한다.

@Data
@Entity
public class Lecture {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long id;

    @ManyToOne
    // @JoinColumn(name = "instructor") // 외래키 매핑 할때 사용, name 속성에 매핑할 외래 키 이름을 지정
    private Instructor instructor;

    // ...
}

@Data
@Entity
public class Instructor {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long id;
    private String firstName;
    private String lastName;

}

[알고리즘] 최대 공약수 구하기 - 유클리드 호제법

yooja_tea — Tue, 18 Jul 2023 18:16:14 +0900

참고: [최대공약수 쉽게 구하는 법] - 유클리드 호제법

최대 공약수를 구하는 방법은 여러 가지가 있다.

보통 방법 (연제법) - 동시에 나눌 수 있는 수로 계속 나누는 방법
소인수분해 - 소수의 곱으로 표현하는 것
유클리드 호제법\

유클리드 호제법

두 수 A, B 가 있을 때 A, B의 최대 공약수 G에 대하여 다음이 성립한다. (a, b는 서로소)

A = G*a

B = G*b

따라서 다음도 성립한다.

A - B = Ga - Gb = G * (a -b)

두 수의 차 A-B는 최대공약수 G의 배수이다.

이를 통해 A-B의 약수 중 A와 B를 나누어 떨어지게 하는 수 중 가장 큰 수를 구하면 된다.

더 나아가 B와 A-B의 최대 공약수를 구하는 식으로 계속 반복해 적용할 수 있다.

119 - 91 = 28
91 - 28 - 28 - 28 = 7 (큰 수 119는 버리고 91에서 28을 3번 뺄 수 있다. 나머지는 7 이다.)
18 - 7 -7 -7-7 = 0 (큰 수 91은 버리고 28에서 7을 4번 뺄 수 있다. 나머지는 0이다.

결론적으로 차가 0 일 때 빼는 수가 바로 최대 공약수이다.

연습 문제 - BOJ 9613 GCD의 합

가능한 조합 구하기
최대 공약수 구하기
결과에 합하기

조합을 구하기 위해 Combination 함수를 작성했고, 조합을 구한 후 findGDC로 최대 공약수를 구했다.

findGDC에서 유클리드 호제법을 사용해서 b - a를 수행하기 때문에 배열(arr)을 입력받은 후 정렬해 줬다.

솔루션

import java.io.*;
import java.util.*;

/*
가능한 모든 쌍의 최대공약수의 합
1. 조합 구하기
2. 최대 공약수 구하기 -> 더하기
- 유클리드 호제법 b - a 사용
*/
public class Main {
    static int t;
    static int[] arr;
    static boolean[] visited;
    static int[] output;
    static long result; // 총 합이 int 범위를 벗어난다. 
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        
        t = Integer.parseInt(br.readLine());
        
        for (int i=0; i < t; i++) {
            arr = Arrays.stream(br.readLine().split(" ")).mapToInt(Integer::parseInt).toArray();
            Arrays.sort(arr, 1, arr[0]+1); // 1 ~ n 요소 정렬
            
            output = new int[2];
            visited = new boolean[arr[0]+1];
            result = 0L; // GCD 총합
            
            combination(0, 1);
            System.out.println(result);
        } 
    }
    
    public static void combination(int depth, int s) {
        if (depth == 2) {
            result += (long) findGCD(output[0], output[1]);
            return;
        }
        
        for (int i=s; i <= arr[0]; i++) {
            if (visited[i]) continue;
            
            visited[i] = true;
            output[depth] = arr[i];
            combination(depth + 1, i);
            visited[i] = false;
        }
    }
    
    // 항상 a < b
    public static int findGCD(int a, int b) {
        while (a > 0 && b > 0) {
            if (b % a == 0) return a;
            if (b - a > 0) {
                int tmp = a;

                a = b % a;
                b = tmp;
            } 
        }
        
        return 1;
    }
}

[CS 스터디] 프로세스 주소 공간

yooja_tea — Mon, 17 Jul 2023 16:32:45 +0900

참고: 프로세스의 주소 공간

프로그램이 CPU에 의해 실행되면 프로세스가 생성되고 메모리에 프로세스 주소 공간이 할당된다.

프로세스 주소 공간

프로세스 주소 공간은 코드, 데이터, 스택, 힙 영역으로 이루어져 있다.

Code(Text) Segment : 프로그램 소스 코드 저장, read only
Data Segment : 전역 변수, static 등 저장, read & write
- 초기화된 데이터는 Data 영역에 저장, 초기화되지 않는 데이터는 BSS 영역에 저장된다.
Stack Segment : 함수(복귀할 주소, 리턴 값 …), 지역 변수 저장, read & write
- 컴파일 시 Stack 영역의 크기가 결정되기 때문에 무한정 할당할 수 없다. > stack overflow 발생 가능
Heap Segment : 런타임 시정에 결정되는 메모리 영역

https://github.com/Songwonseok/CS-Study/

Code 구역을 나눈 이유?

코드는 프로그램이 만들어진 후에는(컴파일된 후) 바뀔 일이 없기 때문에 읽기만 가능한 별개의 segment로 나누어 관리한다. 같은 프로그램을 실행시켜 여러 개의 프로세스가 실행되어도 코드 부분은 같은 내용을 가지고 있게 된다. 따라서 같은 프로그램의 프로세스일 경우 Code segment를 공유해서 메모리 사용량을 줄인다.

Stack과 Data 구역을 나눈 이유?

Stack과 Data segment로 나눈 이유는 스택 구조의 특성과 전역 변수의 활용성을 위해서 이다. 프로그램의 함수와 지역변수는 LIFO 특성을 가진 스택에서 실행된다. 전역변수는 어떤 함수에서도 접근 가능하기 때문에 Data Segment로 관리한다.

func1 > func 2 > func3

Data 영역과 BSS 영역
참고: DATA, BSS
- Data 영역 : 프로그램 실행 도중 자유롭게 접근하여 수정 및 변경이 가능하다.
- BSS 영역 : 메모리 상에 공간만 잡아두고 실제로 변수를 초기화시키지 않는다.
데이터 영역은 초기에 사용할 메모리를 확보하는 반면 BSS 영역에서는 런타임 후에야 메모리 영역이 확보된다. 즉, 메모리 사용면에서는 BSS 영역을 사용하는 것이 효율적이다.

[CS 스터디] 인터럽트 (Interrupt)

yooja_tea — Mon, 17 Jul 2023 16:27:53 +0900

참고: tech-interview-for-developer

참고: 인터럽트

인터럽트 (Interrupt)

프로그램을 실행하는 도중 예기치 않은 상황이 발생할 경우, 현재 실행 중인 작업을 즉시 중단하고 발생된 상황에 대한 우선 처리가 필요함을 CPU에게 알리는 것

지금 수행하는 작업보다 우선순위가 더 높은 작업을 먼저 처리하고 하던 일을 이어서 수행한다.
인터럽트가 발생하면 CPU는 해당 인터럽트를 무시할 수도 있다.
- Non maskable 인터럽트 (NMI): 항상 응답해야 하는 인터럽트
- Maskable 인터럽트: 그렇지 않은 경우

인터럽트 종류

인터럽트를 발생시키기 위해 하드웨어/소프트웨어는 CPU 내에 있는 인터럽트 라인을 세팅하여 인터럽트를 발생시킨다.

하드웨어 인터럽트 : 하드웨어 신호에 의해 발생 (외부/내부)
소프트웨어 인터럽트 : 명령어의 수행에 의해 발생

외부 인터럽트 :
- 입출력 장치, 타이밍 장치, 전원 등 외부적인 요인으로 발생
- ex) 전원 이상, 기계 착오, 외부 신호, 입출력
내부 인터럽트(Trap) :
- 잘못된 명령 또는 데이터를 사용할 때 발생
- ex) 0으로 나누기, 오버플로우, 명령어 잘못 사용 (Exception)
소프트웨어 인터럽트 :
- 프로그램 처리 중 명령의 요청에 의해 발생 (SVC 인터럽트)
- ex) 소프트웨어 이용 중에 다른 프로세스를 실행시키면, 시분할 처리를 위해 자원 할당 동작이 수행된다.

인터럽트 처리 과정

(입출력 장치를 예시로)

특정 장치가 CPU에게 인터럽트를 요구한다.
CPU는 인터럽트 확인 신호(INTA)를 보낸다.
INTA를 받은 입출력 장치는 인터럽트 요구 신호(INTR)를 삭제한다.
CPU는 PC, PSW, 레지스터 등을 스택에 저장한다.
CPU는 인터럽트 서비스 루트의 주소를 PC에 적재하고, 인터럽트 서비스 루틴(ISR)을 수행한다.
CPU는 PSW, 레지스터 등을 스택으로부터 복귀한다.
본래 실행 중이던 프로그램을 수행한다.

컨트롤러가 입력을 받아들이는 방법

폴링 방식
- 사용자가 명령어를 사용해 입력 핀의 값을 계속 읽어 변화를 알아내는 방식
- 인터럽트 요청 플래그를 차례로 비교하여 우선순위가 가장 높은 인터럽트 자원을 찾아 이에 맞는 인터럽트 서비스 루틴을 수행한다. < 하드웨어에 비해 속도가 느림
인터럽트 방식
- MCU 자체가 하드웨어적으로 변화를 체크하여 변화 시에만 일정 동작을 수행하는 방식
- Daisy chain
- 병렬 우선순위 부여

인터럽트 기능이 없다면 컨트롤러는 어떤 일을 할 시기를 알기 위해 계속 체크해야 한다.(= 폴링) 이로 인해 컨트롤러는 상당한 시간을 소비하게 된다.

인터럽트 방식은 하드웨어를 사용해야 한다는 제약이 있지만, 폴링에 비해 신속하게 대응이 가능하다. 따라서 실시간 대응이 필요할 때는 필수적인 기능이다.

→ 인터럽트는 발생 시기를 예측하기 힘든 경우 컨트롤러가 가장 빠르게 대응할 수 있는 방법

MCU (microcontroller unit) : 마이크로 프로세스와 입출력 모듈의 하나의 칩으로 만들어 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터

다중 인터럽트

CPU가 인터럽트를 처리하는 중에 또 인터럽트가 발생하는 경우 두 가지 처리 방식이 있다.

CPU가 인터럽트 서비스 루틴을 처리하는 중 새로운 인터럽트가 들어오더라도 수행 중인 ISR이 끝날 때까지 새로운 인터럽트 사이클을 수행하지 않도록 하는 방식
인터럽트 간 우선순위를 정하고, 우선순위가 더 높은 인터럽트가 발생한다면, 현재 수행 중인 명령어를 멈춰두고 새로운 인터럽트를 먼저 처리하도록 하는 방식

[CS 스터디] 운영체제(Operating System)

yooja_tea — Thu, 13 Jul 2023 13:13:53 +0900

참고: tech-interview-for-developer

참고: 운영체제란 무엇인가

운영체제란?

사용자가 컴퓨터를 편리하고 효과적으로 사용할 수 있도록 환경을 제공하는 시스템 소프트웨어
하드웨어를 효율적으로 관리하며, 다른 응용 프로그램이 유용한 작업을 할 수 있도록 환경을 제공해 준다.
Windows, Linuex, UNIX, MS-DOS 등

운영체제의 역할

프로세스 관리	프로세스, 스레드 스케쥴링 동기화 IPC 통신
저장장치 관리	메모리 관리 가상 메모리 파일 시스템
네트워킹	TCP/IP 기타 프로토콜
사용자 관리	계정 관리 접근 권한 관리
디바이스 드라이버	순차 접근 장치 임의 접근 장치 네트워크 장치

각 역할에 대한 설명

1. 프로세스 관리

운영체제에서 작동하는 응용 프로그램을 관리하는 기능

프로세스 스케줄링 및 동기화 : 프로세스의 생성과 제거, 시작과 정지, CPU 할당 등
프로세스 간 공유 자원 접근과 통신 등을 관리 (ex) 메시지 전달 기능)

2. 저장장치 관리

1차 저장장치에 해당하는 메인 메모리와 2차 저장장치에 해당하는 하드디스크, NAND 등을 관리하는 기능

1차 저장장치 관리 : Main Memory
- 프로세스에 메모리 영역을 할당 & 해제
- 각 메모리 영역 간 침범 방지
- 메인 메모리의 효율적인 사용을 위한 가상 메모리 기능
2차 저장장치 관리 : HDD, NAND Flash Memroy 등
- 파일 형식의 데이터 저장
- 저장된 파일 데이터 관리를 위한 파일 시스템을 관리 (FAT, NTFS, EXT2, JFS, XFS 등 많은 파일 시스템들이 개발되어 사용 중이다.)

3. 네트워킹

TCP/IP 기반의 인터넷에 연결하거나, 응용 프로그램이 네트워크를 사용하려면 운영체제에서 네트워크 프로토콜을 지원해야 한다. 현재 상용 OS는 다양하고 많은 네트워크 프로토콜을 지원한다.

4. 사용자 관리

운영체제는 하나의 PC를 여러 사용자가 사용하는 환경도 지원해야 한다.

각 계정을 관리하는 기능
사용자 별로 프라이버시와 보안을 위해 개인 파일에 다른 사용자가 접근할 수 없도록 관리
파일, 시스템 자원에 접근 권한을 지정할 수 있도록 지원

5. 디바이스 드라이버

운영체제는 시스템의 자원, 하드웨어를 관리한다.

시스템에는 여러 하드웨어가 붙어있는데, 이들을 운영체제에서 인식하고 관리하게 만들어 응용 프로그램이 하드웨어를 사용할 수 있게 만들어야 한다.

따라서 운영체제 안에 하드웨어를 추상화해 주는 계층**(= 디바이스 드라이버)**이 필요하다. 하드웨어의 종류가 많은 만큼, 운영체제 내부의 디바이스 드라이버도 많이 존재한다.

수많은 디바이스 드라이버들을 관리하는 기능

이처럼 운영체제는 사용자와 컴퓨터 하드웨어 사이에서, 하드웨어를 운영 관리하고 명령어를 제어하여 응용 프로그램 및 하드웨어를 소프트웨어적으로 제어 및 관리한다.

가상 메모리
참고: 실제 메모리와 가상 메모리

초창기 물리적인 메모리의 크기보다 큰 애플리케이션을 실행하려면 메모리 부족으로 실행하지 못하는 RAM 부족 문제가 발생한다. 그래서 가상 메모리 방식이 등장했다.
현재 애플리케이션의 실행에 필요한 데이터만 RAM에 올려놓고, 나머지는 디스크에 저장해서 디스크를 RAM의 보조 기억 장치처럼 사용하는 방식
가상 메모리를 구현하기 위해서는 컴퓨터가 특수 메모리 관리 하드웨어를 갖추고 있어야 한다. = MMU (Memory Management Unit)

MMU (Memory Management Unit)

가상 메모리 주소를 물리 메모리 주소로 변환하고, 메모리를 보호하는 기능을 수행 메모리를 페이지로 나누어 각 페이지를 하나의 독립적인 항목으로 처리한다.

IPC 통신 (InterProcess Communication)
참고: 프로세스 간 커뮤니케이션

각 프로세스는 서로 독립적으로 실행된다. 프로세스 간에 데이터를 교환하거나 특정 기능을 사용하기 위한 방법을 제공하는 것이 IPC이다.

다양한 IPC 기법이 존재한다.
주요 IPC 기법
- Message Queue : kernel space를 사용, 기본적으로 단방향 통신
- Shared Memory : kernel space에 메모리 공간을 만들고, 해당 공간을 변수처럼 접근하는 방식
- Pipe : kernel space를 사용, FIFO 정책으로 데이터 전송
기타 IPC 기법
- Signal : 커널 또는 프로세스에서 다른 프로세스에 어떤 이벤트가 발생되었는지를 알려주는 기법
- Socket : 소켓을 하나의 컴퓨터 안에서 두 개의 프로세스 간에 통신 기법으로 사용 가능
- file 사용, Semaphore,... 등

[CS 스터디] 프로세스 (Process), 스레드 (Thread)

yooja_tea — Thu, 13 Jul 2023 13:06:05 +0900

참고: 프로세스&스레드

참고: 프로세스와 스레드 차이

https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/

	프로세스	스레드
	프로그램이 메모리 상에서 실행 중인 작업	프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위
차이점	자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용	프로세스 내 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용

프로세스

메모리에 올라와 실행 중인 프로그램

운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 자원을 할당받은 작업의 단위
각 프로세스는 할당된 메모리에만 접근이 가능하다 (독립적)

프로세스는 프로세스 스택, 데이터 섹션, 힙, 코드를 포함한다.

프로세스 스택 : 함수의 매개변수, 복귀 주소, 로컬 변수 등 임시 메모리 영역
데이터 섹션 : 전역 변수, 정적 변수 등
힙 : 프로세스 실행 중 동적으로 할당되는 메모리
코드 : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역

프로세스 제어 블록 (Process Control Block, PCB)

특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조

운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다.
프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 하는 중간에 프로세스 전환이 발생하면, 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 한다. 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장한다.
프로세스가 다시 CPU를 할당받으면 PCB에 저장되어 있던 내용을 불러와 이전 종료 시점부터 작업을 수행한다.

PCB에 저장되는 정보

프로세스 식별자(Process ID, PID) : 프로세스 식별 번호
프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장
프로그램 카운터 : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
CPU 레지스터
CPU 스케줄링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등

스레드

프로세스 안에서 실행되는 더 작은 작업 단위

스레드 ID, 프로그램 카운터(PC), 레지스터 집합, 스택으로 구성된다. 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다.
스레드마다 Stack을 독립적으로 할당하는 이유
- 스레드는 독립적인 동작을 수행하기 위해 존재한다. > 독립적으로 함수 호출이 가능해야 함
- 때문에 함수의 매개 변수, 지역 변수 등을 저장하는 스택 메모리 영역을 독립적으로 할당받는다.
스레드마다 PC Register을 독립적으로 할당하는 이유
- PC는 스레드가 명령어를 어디까지 수행하였는지 나타낸다.
- 스레드는 CPU를 할당받아 작업을 수행하다 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그래서 각 스레드가 어느 부분까지 수행했는지 기록하기 위해 스레드 별로 독립적으로 할당받는다.

멀티 프로세스

하나의 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 병렬적으로 작업을 수행하는 것

장점
- 안전성 : 운영체제 차원에서 각 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 침범하지 못하도록 관리한다.
단점
- 자원 소모 많음, 오버헤드 : 프로세스 별로 독립된 메모리 영역을 할당받기 때문에, 작업량이 많을수록 오버헤드가 발생한다.
- Context switching으로 인한 성능 저하 : Context Switching은 프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정이다. 프로세스는 독립적인 메모리 영역을 할당받기 때문에 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 수 있다.

멀티 스레드

하나의 프로세스를 다수의 스레드로 구분해 각 스레드가 하나의 작업을 처리하도록 한다. 이를 통해 다수의 작업을 동시에 처리할 수 있다.

장점
- 메모리 공간과 시스템 자원 소모 감소 : 독립적인 프로세스에 비해 스레드는 자원을 공유하고, 이를 통해 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화할 수 있다.
- 통신이 간단 : heap 영역을 이용하면 스레드 간 데이터를 주고받을 수 있다. 프로세스의 통신 방법에 비해 스레드 간 통신 방법이 훨씬 간단하다.
- 빠른 context switch : 스레드의 context switch는 프로세스의 context switch와 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없어 더 빠르다.
→ 시스템의 처리율 향상, 프로그램 응답 시간 단축
단점
- 안정성 문제 : 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에, 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽거나 수정할 수 있다.
→ 동기화 작업 필요
동기화 작업을 통해 작업 처리 순서를 컨트롤, 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤한다. 하지만 이로 인한 병목 현상을 고려해야 한다.