컴퓨터 개론: 운영체제

운영체제(OS, Operating System)는 하드웨어와 소프트웨어를 관리하고 제어하는 필수 소프트웨어다.
개발자로서 운영체제를 잘 이해하면 프로그램이 어떻게 실행되는지, 메모리는 어떻게 관리되는지, 프로세스는 어떻게 동작하는지를 알 수 있다.

이번 글에서는 운영체제의 핵심 개념을 한눈에 정리해본다. 🚀

🔹 하드웨어와 소프트웨어

컴퓨터 시스템은 하드웨어(Hardware)와 소프트웨어(Software) 로 구성된다.

📌 하드웨어: 컴퓨터에 물리적으로 존재하는 모든 부품 (CPU, 메모리, 저장장치 등)
📌 소프트웨어: 사용자의 요구에 따라 컴퓨터 시스템에서 작동하는 프로그램

소프트웨어는 응용 소프트웨어(Application Software)와 시스템 소프트웨어(System Software) 로 나뉜다.

✔ 응용 소프트웨어 (Application Software)

특정 작업을 수행하기 위해 설치하는 프로그램
예시: 웹 브라우저, 워드 프로세서, 스프레드시트, 게임

✔ 시스템 소프트웨어 (System Software)

하드웨어와 상호작용하며 컴퓨터 시스템을 관리하는 소프트웨어
예시: 운영체제(OS), 컴파일러, 인터프리터

운영체제는 시스템 소프트웨어의 핵심으로, 컴퓨터의 자원을 효율적으로 관리하는 역할을 한다.

🔹 운영체제란? (OS, Operating System)

운영체제는 하드웨어와 소프트웨어를 관리하고, 프로그램 실행을 돕는 소프트웨어다.

📌 운영체제의 또 다른 정의:
운영체제는 컴퓨터의 자원(Resource)을 효율적으로 관리하는 프로그램이다.

✔ 컴퓨터 자원이란?

컴퓨터가 동작하기 위해 필요한 모든 것.
✅ CPU (중앙처리장치)
✅ 메모리 (RAM, 가상 메모리)
✅ 저장장치 (SSD, HDD)
✅ 네트워크, 입출력 장치

운영체제는 이 자원들을 효율적으로 할당하고, 충돌을 방지하며, 멀티태스킹을 가능하게 한다.

📌 대표적인 운영체제 종류

Windows
macOS
Linux (Ubuntu, CentOS, Fedora 등)

🔹 프로세스와 스레드

✔ 프로그램 vs 프로세스 vs 스레드

구분	설명
프로그램	실행되지 않은 코드, 명령어의 집합
프로세스	실행 중인 프로그램, OS로부터 자원을 할당받아 실행됨
스레드	프로세스 내부에서 실행되는 작업의 단위

📌 프로세스와 스레드의 차이점
✅ 프로세스: 독립적인 실행 단위 (싱글 프로세스, 멀티 프로세스)
✅ 스레드: 프로세스 내에서 실행되는 작은 작업 흐름 (싱글 스레드, 멀티 스레드)

💡 멀티 프로세스는 여러 개의 독립적인 프로세스를 실행하는 것이고, 멀티 스레드는 하나의 프로세스에서 여러 개의 스레드를 실행하는 것!

🔹 운영체제의 핵심 역할

운영체제는 컴퓨터 시스템을 원활하게 작동하도록 다양한 기능을 수행한다.

✔ 1️⃣ 메모리 관리

실행 중인 프로그램이 메모리를 사용할 수 있도록 주소를 할당
사용하지 않는 메모리는 OS가 해제

✔ 2️⃣ 가상 메모리 (Virtual Memory)

실제 RAM보다 더 큰 메모리처럼 사용할 수 있도록 함
하드디스크(스토리지)의 일부를 가상 메모리(Swap)로 활용
페이징(Paging) 기법을 사용하여 프로그램이 실제 필요한 부분만 메모리에 로드

📌 장점: RAM이 부족해도 큰 프로그램 실행 가능
📌 단점: 가상 메모리는 HDD/SSD를 사용하므로 속도가 느림

✔ 3️⃣ 프로세스 관리 (Process Scheduling)

여러 프로그램이 동시에 실행될 때, CPU가 어떤 프로세스를 먼저 실행할지 결정
프로세스 스케줄링을 통해 CPU 시간을 효율적으로 분배

✔ 4️⃣ 멀티태스킹 (Multi-tasking)

여러 개의 프로그램을 동시에 실행하는 기능
빠르게 프로세스를 전환(Switching)하여 사용자가 여러 작업을 동시에 수행하는 것처럼 보이게 함

✔ 5️⃣ 파일 시스템 관리

파일 생성, 복사, 삭제, 이동 등을 관리
폴더(디렉터리) 구조를 통해 파일을 정리
NTFS(Windows), ext4(Linux) 등 다양한 파일 시스템 존재

✔ 6️⃣ 네트워크 관리

인터넷 연결 및 네트워크 자원 관리
IP 주소 할당, 패킷 전송, 방화벽 설정 등을 수행

✔ 7️⃣ 보안 및 사용자 인증

사용자 계정 관리 (로그인, 암호화)
방화벽(Firewall), 바이러스 검사 등을 통해 보안 유지

🔹 커널과 셸 – 운영체제의 핵심 구조

운영체제는 크게 커널(Kernel)과 셸(Shell) 로 나뉜다.

📌 운영체제의 구성
Application > Shell > Kernel > Hardware

✔ 1️⃣ 커널 (Kernel)

커널 설명

운영체제의 핵심 부분으로, 하드웨어와 소프트웨어의 인터페이스 역할을 수행한다.
✅ 프로세스 스케줄링
✅ 메모리 관리
✅ 입출력 제어

💡 운영체제의 가장 중요한 기능을 담당하는 부분!

✔ 2️⃣ 셸 (Shell)

사용자가 입력한 명령어를 커널에 전달하고 실행 결과를 출력하는 역할.
✅ 명령어 해석기(Command Interpreter)
✅ 터미널 인터페이스 제공

📌 셸의 종류

CLI (Command Line Interface): 명령어 기반 (Bash, Zsh, PowerShell)
GUI (Graphical User Interface): 그래픽 기반 (Windows, macOS Finder)

🔹 동기화 문제 – 여러 프로세스가 같은 자원을 사용할 때 발생

예제:

프로세스 A는 파일을 저장하려고 하고
프로세스 B는 같은 파일을 삭제하려고 한다

이런 경우, 동기화(Synchronization) 문제가 발생할 수 있다.
운영체제는 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore) 같은 기법을 사용하여 동기화 문제를 해결한다.

✔ 뮤텍스(Mutex, Mutual Exclusion) – "🔒 하나만 접근 가능"

한 번에 오직 하나의 스레드만 자원에 접근할 수 있도록 하는 잠금(Lock) 기법
만약 다른 스레드가 접근하려 하면, 기존 스레드가 잠금을 해제할 때까지 대기해야 한다.

📌 예제: 화장실 키 시스템

화장실이 하나 있고, 열쇠(뮤텍스)가 있다.
누군가 화장실을 사용하려면 열쇠를 가져가야 한다 (Lock).
화장실을 다 사용하면 열쇠를 돌려준다 (Unlock).
다른 사람이 사용하려면 열쇠를 받을 때까지 기다려야 한다.

📌 특징
✅ 한 번에 하나의 스레드만 접근 가능
✅ 자원을 사용한 후 반드시 잠금 해제해야 함
✅ 프로세스/스레드 간 충돌 방지

✔ 세마포어(Semaphore) – "🛑 여러 개 허용 가능"

여러 개의 스레드가 동시에 자원에 접근 가능하지만, 허용된 개수까지만 가능
공유 자원 개수를 조절하는 역할을 함

📌 예제: 주차장 시스템

주차장이 5개 공간(세마포어 값 = 5)을 가지고 있다.
차가 들어올 때마다 남은 공간을 하나씩 줄임 (P 연산, Wait)
차가 나가면 공간을 하나씩 증가 (V 연산, Signal)
주차장이 꽉 차면 새로운 차는 빈자리가 생길 때까지 대기

📌 특징
✅ 0 이상이면 여러 개의 스레드가 접근 가능
✅ 세마포어 값이 1이면 뮤텍스처럼 동작
✅ 자원 개수를 제한하여 동기화 문제를 해결

🚀 정리

✔ 운영체제(OS)는 하드웨어와 소프트웨어를 관리하는 필수 소프트웨어
✔ 프로세스는 실행 중인 프로그램, 스레드는 프로세스 내의 실행 흐름
✔ 운영체제의 핵심 역할: 메모리 관리, 프로세스 관리, 멀티태스킹, 파일 시스템 관리, 보안
✔ 커널(Kernel)은 운영체제의 핵심, 셸(Shell)은 사용자가 명령을 입력하는 인터페이스
✔ 멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이를 이해하면, 병렬 프로그래밍을 쉽게 배울 수 있다

[이어드림스쿨 1주차] 컴퓨터 개론 (2)