운영체제 심화: 메모리 관리, 프로세스 스케줄링 완벽 해부

운영체제 심화: 메모리 관리, 프로세스 스케줄링 완벽 해부

컴퓨터의 모든 동작을 총괄하는 운영체제(OS)는 개발자라면 반드시 깊이 있게 이해해야 할 핵심 영역입니다. 특히 메모리 관리와 프로세스 스케줄링은 OS의 성능과 안정성을 결정짓는 두 축이며, 이 두 메커니즘을 제대로 이해해야만 성능 최적화와 시스템 문제 해결 능력을 갖출 수 있습니다. 단순히 코딩하는 것을 넘어 시스템 전체를 조망하고 싶다면, 이 심화 주제들에 대한 이해가 필수적입니다.

저는 지난 수많은 프로젝트에서 성능 병목 현상을 진단하고 OS 수준에서 해결 방안을 모색하는 경험을 통해 이 두 가지 심화 주제에 통달할 수 있었습니다. 지금부터 운영체제의 핵심인 메모리 관리와 프로세스 스케줄링의 원리와 기법들을 완벽하게 해부하여 그 작동 방식을 구체적으로 설명해 드리겠습니다.

1. 메모리 관리의 핵심: 가상 메모리(Virtual Memory)와 페이징

현대 운영체제에서 가장 중요한 메모리 관리 기법은 **가상 메모리(Virtual Memory)**입니다. 이는 실제 물리적 메모리(RAM)보다 훨씬 큰 메모리 공간을 사용자에게 제공하는 환상(Illusion)을 만들어 줍니다. 각 프로세스는 독립적인 가상 주소 공간을 가지며, OS는 이 가상 주소를 실제 물리 주소로 변환하는 역할을 합니다.

이 변환 과정의 핵심은 페이징(Paging) 기법입니다. 물리적 메모리를 페이지 프레임(Page Frame)이라는 고정된 크기로 나누고, 가상 메모리도 페이지(Page)라는 동일한 크기로 나눕니다. OS는 페이지 테이블(Page Table)을 통해 가상 페이지 번호를 물리적 페이지 프레임 번호로 매핑합니다. 이로써 메모리의 효율적인 사용과 프로세스 간의 메모리 보호가 가능해집니다.

2. 메모리 교체 알고리즘: 효율성을 위한 전략적 선택

가상 메모리 시스템에서는 물리적 메모리 공간이 부족해지면, 현재 사용되지 않는 페이지를 디스크의 스왑 공간(Swap Space)으로 옮겨야 합니다. 이를 **페이지 교체(Page Replacement)**라고 하며, 이때 어떤 페이지를 교체할지 결정하는 알고리즘이 시스템 성능을 좌우합니다.

대표적인 알고리즘에는 다음과 같은 세 가지가 있습니다. **FIFO(First-In, First-Out)**는 가장 먼저 들어온 페이지를 내보내지만 효율이 낮을 수 있습니다. **LRU(Least Recently Used)**는 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 내보내 가장 높은 효율을 보장하지만 구현 비용이 높습니다. Clock 알고리즘은 LRU의 장점을 취하면서 구현의 복잡도를 낮춘 실용적인 기법으로, 실제로 많이 사용됩니다.

3. 프로세스 스케줄링의 목표와 종류: CPU 활용 극대화

**프로세스 스케줄링(Process Scheduling)**은 CPU가 어떤 프로세스에 할당될지를 결정하는 OS의 기능입니다. 스케줄링의 목표는 CPU 활용률을 높이고, 처리량(Throughput)과 응답 시간을 최적화하며, 모든 프로세스에 공평성(Fairness)을 제공하는 것입니다.

스케줄링 기법은 크게 두 가지로 나뉩니다. 선점형(Preemptive) 스케줄링은 실행 중인 프로세스를 강제로 중단시키고 다른 프로세스에게 CPU를 할당할 수 있습니다(예: Round Robin). **비선점형(Non-preemptive)**은 프로세스가 스스로 CPU를 반납할 때까지 기다립니다(예: FCFS, First-Come, First-Served). 현대 OS는 주로 선점형 기법을 사용하여 시스템의 응답성을 보장합니다.

4. 실전 스케줄링 기법: 라운드 로빈(Round Robin)과 우선순위

실제 운영체제에서 가장 널리 사용되는 기법 중 하나는 **라운드 로빈(Round Robin)**입니다. 각 프로세스에게 Time Quantum(시간 할당량)을 부여하고, 이 시간이 끝나면 대기 큐의 다음 프로세스로 CPU 제어권을 넘깁니다. 이는 모든 프로세스에게 공평한 기회를 제공하며 상호작용 시스템(Interactive System)에 매우 적합합니다.

또 다른 중요한 기법은 우선순위(Priority) 스케줄링입니다. 각 프로세스에 우선순위 레벨을 부여하고, 가장 높은 우선순위의 프로세스에게 CPU를 할당합니다. 문제는 낮은 우선순위의 프로세스가 영원히 CPU를 얻지 못하는 **기아 현상(Starvation)**이 발생할 수 있다는 것입니다. 이를 해결하기 위해 시간이 지남에 따라 우선순위를 높여주는 에이징(Aging) 기법이 사용됩니다.

운영체제의 메모리 관리와 프로세스 스케줄링은 겉으로 보이지 않지만, 시스템의 성능을 밑바닥에서부터 규정하는 핵심 논리입니다. 이 복잡한 메커니즘을 이해한다면, 여러분은 코드를 작성할 때 단순히 '실행된다'는 것을 넘어 '어떻게 가장 효율적으로 실행될 수 있는지'를 고민하는 진정한 시스템 엔지니어가 될 수 있습니다. 이 지식을 바탕으로 여러분의 개발 역량을 한 단계 끌어올리시길 바랍니다.