운영체제란?

운영체제는 하드웨어를 포함한 리소스를 제어하고 프로그램을 실행해주는 시스템 소프트웨어이다.

쉽게 말하면, 하드웨어(컴퓨터 부품)와 소프트웨어(프로그램) 사이를 연결하고 관리하는 중재자 역할을 한다.

운영체제가 없다면 ❌

• 하드웨어를 직접 조작해야 하므로 불편함

• 여러 프로그램을 동시에 사용하기 어려움

• 프로그램들이 리소스를 무분별하게 사용하여 충돌이 발생할 수 있음

운영체제가 있다면 ⭕

• 마우스 클릭 몇 번으로 프로그램을 실행할 수 있음

• 여러 프로그램이 사이좋게 리소스를 나눠 사용할 수 있음

• 안정적이고 효율적인 컴퓨터 사용이 가능함

운영체제의 주요 기능

1. 프로세스 관리

프로세스란 실행 중인 프로그램을 의미한다. 운영체제는 프로세스를 효율적으로 관리하여 여러 프로그램이 동시에 실행될 수 있도록 지원한다.

운영체제의 프로세스 관리 역할

• 실행 중인 프로그램의 상태 관리

• 여러 프로그램이 CPU를 공정하게 사용할 수 있도록 조정 (멀티태스킹)

• 프로세스 간 리소스 배분

📝 비유: 식당에서 여러 손님이 한꺼번에 들어올 때, 직원이 테이블을 안내하고 주문을 관리하는 것과 유사하다.

2. 메모리 관리

메모리는 CPU가 처리할 데이터와 명령어를 저장하는 공간이다. 운영체제는 프로그램이 실행될 때 필요한 메모리를 적절히 할당하고 회수한다.

메모리 관리의 역할

• 프로세스가 실행되도록 메모리 할당

• 메모리 부족 시 가상 메모리를 사용하여 보완

• 보안 강화를 위해 프로세스 간 메모리 접근 제한

📝 비유: 도서관에서 책을 빌려주고 반납하는 시스템과 유사하다.

🔹 가상 메모리

실제 메모리가 적더라도 프로세스를 실행할 수 있도록 도와주는 기술

🔹가상 메모리의 장점

1️⃣ 정보 보호: 프로그램이 실제 메모리 위치를 모를 수 있어 악성 프로그램이 침투하기 어려움

• 실제 주소(Real Address): 컴퓨터의 메모리(RAM)에 데이터를 저장할 때 사용하는 물리적인 공간의 위치.

• 가상 주소(Virtual Address): 운영체제가 각 프로그램에게 부여하는 가상의 공간 주소이다. 실제 메모리 위치가 아니라, 임시로 부여한 가짜 주소라고 생각하면 쉽다.

2️⃣ 연속 주소 제공: 프로그램이 연속된 메모리를 사용할 수 있도록 보장하여 효율적인 실행 가능

• 각 프로그램은 메모리를 연속적으로 사용할 수 있는 것처럼 인식한다.

• 실제로 메모리는 여기저기 흩어져 있어도 운영체제가 연속된 가상 주소로 연결해주기 때문이다.

3. 파일 시스템 관리

파일 시스템은 저장장치(SSD, HDD)에 데이터를 저장하고 관리하는 역할을 한다. 운영체제는 파일을 생성, 수정, 삭제할 수 있도록 돕는다.

📝 비유: 정리된 문서함을 사용하여 필요한 문서를 쉽게 찾을 수 있도록 하는 것과 유사하다.

4. 네트워크 관리

운영체제는 컴퓨터가 네트워크를 통해 데이터를 주고받을 수 있도록 프로토콜을 지원한다.

운영체제의 네트워크 관리 역할

• 다양한 프로토콜(HTTP, FTP, SMTP 등) 지원

• 포트 관리 (이미 사용 중인 포트를 다른 프로그램이 사용하지 못하도록 제한)

📝 비유: 아파트에서 각 세대가 독립된 현관문과 번호를 가지는 것처럼 운영체제가 포트를 관리하여 데이터가 정확히 전달되게 한다.

🎯 실제 사례로 이해하기

예를 들어, 웹 브라우저는 HTTP 또는 HTTPS 프로토콜을 이용해 웹사이트를 방문한다. 운영체제는 브라우저가 해당 프로토콜을 사용할 수 있도록 지원한다. 또, 동시에 여러 프로그램이 네트워크를 사용하면 운영체제는 포트를 관리해 서로 충돌하지 않도록 해준다.

운영체제 종류

1. 윈도우

사용자가 많고, 다양한 프로그램과 호환성이 뛰어남

2. 리눅스

서버 및 개발 환경에서 많이 사용됨, 오픈 소스

3. 맥OS

애플 제품에서 사용됨, 보안성이 높음

4. 도커 (Docker)

컨테이너 기술을 사용하여 어디서든 동일한 환경에서 실행할 수 있도록 해줌

🔹 컨테이너화의 특징과 장점

1️⃣ 모든 환경을 하나로 묶기 📦 :

• 프로그램이 필요한 소프트웨어(라이브러리, 패키지, 설정 등)를 전부 컨테이너에 담아 관리한다.

• 환경 설정을 매번 새로 하지 않고, 미리 준비된 컨테이너를 바로 실행할 수 있다.

2️⃣ 운영체제와 독립성 🖥️↔️💻:

• 컨테이너는 내 컴퓨터의 운영체제와 상관없이 어디서든 동일하게 작동한다.

• 윈도우, 맥, 리눅스 등 서로 다른 운영체제에서 같은 프로그램을 똑같이 실행할 수 있다.

📝 비유: 컵라면(컨테이너)처럼 물만 부으면 어디서나 같은 맛을 낼 수 있는 것과 유사하다.

🎯 실제 업무에서의 활용 예시

• 데이터 분석가가 팀원과 동일한 분석 환경을 사용할 때

• 개발자가 자신이 개발한 프로그램을 서버에 배포할 때

• 클라우드 환경에서 손쉽게 애플리케이션을 실행하고 관리할 때

프로세스 구조

1. 프로세스란?

프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미한다.

✅ 프로그램 vs 프로세스

예시로 이해하기

• 프로그램: 카카오톡 앱 파일 자체

• 프로세스: 카카오톡을 실행해서 채팅하고 있는 상태

📝 비유:

• 프로그램 = 요리 레시피 📖

• 프로세스 = 레시피를 따라 요리를 만드는 과정 🍳

✅ 프로세스 vs 쓰레드(Thread)

🎯 실무에서 프로세스는 언제 중요할까?

• 데이터 분석 시, 동시에 여러 데이터를 처리할 때

• 프로그램 성능 분석 시, 자원을 많이 쓰는 프로세스를 찾아 관리할 때

• 개발 및 운영 시, 프로세스의 상태를 확인하고 오류 발생 시 관리할 때

✅ 핵심 요약

• 프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미한다.

• 프로그램(정적) 🔵 → 프로세스(동적) ⭐️ 로 바뀐다고 기억하면 쉽다.

• 프로세스는 독립적인 메모리를 할당받으며, 내부에서 여러 개의 쓰레드가 실행될 수 있다.

• 쓰레드는 프로세스 내에서 동작하는 작은 단위이며, 같은 프로세스 내의 메모리를 공유한다.

• 프로세스는 코드, 데이터, 힙, 스택 네 가지 영역으로 구성된다.

2. 프로세스의 메모리 구조

✅ 프로세스 = 요리를 만드는 과정 🍳

📝 코드(Code) = 레시피

• 컴퓨터에게 무엇을 할지 알려주는 명령을 저장한 곳.

• 쉽게 말하면, 컴퓨터가 앱을 실행할 때 따라 하는 "순서와 방법"을 적어놓은 설명서.

예시: 계산기 앱을 실행할 때,

• 사용자가 숫자와 '+' 버튼을 누르면 → 두 숫자를 더해라

• '=' 버튼을 누르면 → 결과를 화면에 보여줘라

이런 명령을 저장한 부분이 코드(Code)이다.

✔ 프로그램 실행을 위한 명령어(코드)가 저장됨

✔ 읽기 전용(Read-Only) → 코드가 실행되지만 수정할 수 없음

💡 예시: 코드 영역 저장

# 코드(Code) 영역: 컴퓨터가 따라하는 명령들이 있는 곳
def 더하기(a, b):
    결과 = a + b
    return 결과

print(더하기(3, 5))

✅ 설명

• 여기서 def 더하기(a, b): 라는 코드가 바로 컴퓨터가 따라하는 명령(레시피)이고, 프로그램을 실행하면 이 코드가 실행된다.

📦 데이터(Data) = 기본 재료

• 앱을 실행할 때 항상 준비되어 있는 기본적인 데이터를 저장하는 공간.

• 컴퓨터가 앱을 시작할 때부터 끝날 때까지 계속 가지고 있는 데이터이다.

예시: 게임 앱에서 캐릭터의 기본 능력치(체력, 공격력 등)는 앱이 실행될 때부터 항상 유지되는 값.

이런 값이 데이터(Data) 영역에 저장된다.

# 데이터(Data) 영역: 프로그램 실행 동안 항상 유지되는 값
기본값 = 10  # 프로그램 시작부터 끝까지 계속 유지되는 값

def 보여주기():
    print("기본값은:", 기본값)

보여주기()

✅ 설명

• 기본값처럼 앱을 시작할 때부터 끝날 때까지 항상 유지되는 데이터는 데이터 영역에 저장된다.

🧊 힙(Heap) = 냉장고

• 앱을 사용하는 도중에 그때그때 새로 만들어지거나 없어질 수 있는 데이터를 저장하는 공간이다.

• 필요하면 만들어서 보관하고, 필요 없어지면 다시 지울 수 있는 공간이다.

예시: 게임에서 플레이어가 새 캐릭터를 추가하거나 아이템을 얻었을 때, 그때마다 새로운 데이터를 만들어 힙(Heap)에 저장하고, 필요 없으면 지우게 된다.

# 힙(Heap) 영역: 필요할 때 그때그때 새롭게 만들어 쓰는 데이터

냉장고 = []  # 빈 냉장고 준비

# 냉장고에 재료 넣기
냉장고.append("사과")
냉장고.append("바나나")

print("냉장고 내용물:", 냉장고)

# 재료를 꺼내서 사용 후 지우기
냉장고.pop()  # 바나나 꺼내서 사용 후 지움
print("바나나를 꺼낸 후 냉장고:", 냉장고)

✅ 설명

• 냉장고(힙)는 필요할 때 데이터를 추가하거나 지울 수 있다.

• 파이썬에서는 리스트(list) 같은 구조를 사용해서 데이터를 넣거나 뺀다.

🔪 스택(Stack) = 도마

• 앱이 잠시 필요한 데이터를 올려놓고 사용한 다음, 다시 치우는 임시 공간이다.

• 작업이 끝나면 바로 삭제된다.

예시: 계산기 앱에서 ‘2+3’을 계산할 때,

• 숫자 '2'와 숫자 '3'을 잠깐 스택(Stack)에 올려놓고,

• 더한 다음, 결과를 보여주면 '2'와 '3'은 바로 삭제된다.

즉, 잠시 쓰고 사라지는 데이터를 저장하는 곳이다!

# 스택(Stack) 영역: 잠시 사용하는 데이터를 임시로 올려두는 공간

def 임시계산():
    숫자1 = 10  # 임시 데이터 (도마 위에 올림)
    숫자2 = 20  # 임시 데이터 (도마 위에 올림)
    결과 = 숫자1 + 숫자2  # 임시 계산 결과
    print("임시 계산 결과:", 결과)

임시계산()
# 함수 실행이 끝나면 숫자1, 숫자2, 결과는 자동으로 사라짐

✅ 설명

• 함수 내부에서 쓰는 임시 데이터(지역 변수)는 함수가 끝나면 자동으로 사라진다.

• 마치 도마 위의 재료를 쓰고 나서 바로 치우는 것과 같다.

• 운영체제에서의 스택은 자료구조 스택과 같이 LIFO(Last In, First Out, 후입선출) 구조로 동작한다.

• 즉, 마지막에 넣은 데이터가 가장 먼저 나오는 구조를 가진다.

  • 비유: 접시 쌓기

    • 새 접시는 제일 위에 쌓고, 꺼낼 때도 위에서부터 꺼낸다.

힙(Heap)과 스택(Stack)의 차이

3. 정적 할당 vs 동적 할당

컴퓨터는 프로그램을 실행할 때 필요한 데이터를 저장할 공간을 만들어야 한다.

이렇게 데이터를 저장할 공간을 만드는 방법에는 크게 두 가지가 있는데, 바로 정적 할당과 동적 할당이다.

📝 비유:

• 정적 할당 = 식당 예약 (미리 자리 확보)

• 동적 할당 = 즉석에서 자리 배정 (유연하지만 대기 시간이 발생할 수 있음)

4. 각 메모리 영역별 특징 요약

❓ 질문:

• 정적 할당과 동적 할당의 차이는?

  👉 정적 할당은 미리 정해놓은 공간만 사용하고, 동적 할당은 필요할 때 추가로 공간을 늘리거나 줄일 수 있다.

• 동적 할당이 더 좋은가?

  👉 항상 그런 건 아니다. 상황에 따라 미리 정해진 공간이 효율적일 수도 있고, 유연하게 바꿀 수 있는 게 효율적일 수도 있다.

• 실행 중 크기가 변할 수 있는 영역은?

  👉 정답: 힙(Heap) 영역과 스택(Stack) 영역

  • ✔ 힙 영역: 프로그래머가 직접 동적으로 할당/해제
    ✔ 스택 영역: 함수 호출/종료에 따라 자동으로 증가/감소

    📌 코드 영역과 데이터 영역은 고정 크기로 할당되며, 실행 중 변하지 않음.