⚙️ [운영체제] 응용 프로그램 실행 관리

[운영체제 목차 바로가기]

1️⃣ 운영체제 개요 - 1.2 운영체제의 역할과 목적

📌 응용 프로그램 실행 관리 (Application Execution Management)

운영체제(Operating System, OS)는 응용 프로그램(Application Software)이 원활하게 실행될 수 있도록 실행 환경을 제공하고, 프로세스와 자원을 관리하는 핵심 역할을 수행합니다.

응용 프로그램은 사용자가 실행하는 웹 브라우저, 문서 편집기, 동영상 플레이어, 게임, 데이터베이스 시스템과 같은 소프트웨어이며, 운영체제는 이러한 프로그램이 CPU, 메모리, 파일 시스템, 네트워크 등의 시스템 자원을 효율적으로 사용할 수 있도록 조정합니다.

운영체제가 응용 프로그램을 실행하는 과정에는 프로세스 관리, 메모리 할당, 파일 및 입출력 제어, 스레드 관리, 오류 처리 등의 기능이 포함됩니다.

---

1️⃣ 응용 프로그램 실행 관리의 주요 기능

운영체제가 응용 프로그램을 실행하고 관리하는 핵심 기능은 다음과 같습니다.

🔹 1. 프로세스 생성 및 관리 (Process Creation & Management)

운영체제는 사용자가 응용 프로그램을 실행하면 해당 프로그램을 프로세스(Process) 형태로 생성하고 관리합니다.

✅ 프로세스 생성 과정

응용 프로그램이 실행될 때 운영체제는 다음과 같은 단계를 거쳐 프로세스를 생성합니다.

1. 프로그램 로딩 (Loading Program into Memory)
   • 실행 파일(Executable File)이 디스크에서 메모리(RAM)로 로드됨
2. 프로세스 컨트롤 블록(PCB) 생성
   • 운영체제는 해당 프로세스의 정보를 저장하는 PCB(Process Control Block)를 생성
   • PCB에는 프로세스 ID(PID), 실행 상태, 메모리 주소, CPU 레지스터 값 등이 포함됨
3. CPU 스케줄링 등록
   • 운영체제의 프로세스 스케줄러가 프로세스를 Ready 상태(실행 대기 상태)에 등록
4. 프로세스 실행 (Process Execution)
   • CPU가 해당 프로세스를 선택하여 실행 (Running 상태)
5. 프로세스 종료 (Process Termination)
   • 실행이 완료되면 운영체제가 메모리를 해제하고, 프로세스를 종료

✅ 프로세스 상태 변화 (Process States)

운영체제는 프로세스의 실행 단계를 다음과 같이 관리합니다.

• New(생성) → 새로운 프로세스 생성
• Ready(준비) → 실행을 기다리는 상태 (CPU를 기다림)
• Running(실행 중) → CPU에서 실행 중
• Waiting(대기) → 입출력 작업을 기다리는 중
• Terminated(종료) → 실행 완료

이러한 프로세스 관리 기능을 통해 운영체제는 여러 개의 응용 프로그램이 동시에 실행될 수 있도록 멀티태스킹을 지원합니다.

---

🔹 2. CPU 스케줄링 및 실행 제어 (CPU Scheduling & Execution Control)

운영체제는 여러 개의 응용 프로그램이 동시에 실행될 경우, CPU를 어떻게 배분할지 결정하는 CPU 스케줄링 기능을 수행합니다.

✅ 멀티태스킹 지원 (Multitasking)

• 여러 개의 응용 프로그램이 동시에 실행될 수 있도록 운영체제는 짧은 시간 단위로 CPU를 분배
• 예: 사용자가 웹 브라우저를 실행하면서 음악을 듣고, 파일을 다운로드하는 작업을 동시에 수행

✅ 대표적인 CPU 스케줄링 알고리즘

운영체제는 다양한 알고리즘을 사용하여 CPU를 여러 응용 프로그램에 공정하게 할당합니다.

• FCFS(First Come, First Served) → 먼저 요청한 프로그램부터 실행
• SJF(Shortest Job First) → 실행 시간이 가장 짧은 프로그램 우선 실행
• Round Robin(RR) → 일정한 시간(Time Quantum) 동안 CPU를 할당한 후 교체
• Priority Scheduling → 우선순위가 높은 프로그램을 먼저 실행

---

🔹 3. 메모리 관리 및 가상 메모리 지원 (Memory Management & Virtual Memory)

응용 프로그램이 실행될 때 운영체제는 메모리(RAM)를 동적으로 할당 및 해제하며, 가상 메모리를 활용하여 메모리 부족 문제를 해결합니다.

✅ 메모리 할당 및 해제

• 응용 프로그램이 실행될 때 운영체제는 해당 프로그램이 사용할 메모리를 확보
• 프로그램이 종료되면 사용된 메모리를 해제하여 다른 프로그램이 사용할 수 있도록 함

✅ 가상 메모리 지원

• 실행 중인 프로그램이 필요한 메모리보다 더 많은 공간이 필요할 경우, 운영체제는 디스크의 일부를 가상 메모리(Swap Memory)로 활용
• 가상 메모리는 페이징(Paging) 및 페이지 교체 알고리즘(FIFO, LRU 등)을 활용하여 메모리 부족 문제를 해결

---

🔹 4. 파일 시스템 및 입출력 관리 (File System & I/O Management)

응용 프로그램은 데이터를 저장하고 검색할 때 운영체제가 제공하는 파일 시스템을 활용합니다.

✅ 파일 시스템 관리

• 응용 프로그램이 파일을 저장하고 검색할 수 있도록 운영체제는 파일 시스템(File System)을 제공
• 대표적인 파일 시스템:
  • Windows → NTFS, FAT32
  • Linux → EXT4, XFS
  • macOS → APFS, HFS+

✅ 입출력(I/O) 장치 관리

• 응용 프로그램이 키보드, 마우스, 프린터, 네트워크 등의 입출력 장치와 원활하게 상호작용할 수 있도록 운영체제가 제어
• 운영체제는 디바이스 드라이버(Device Driver)를 통해 하드웨어 장치를 제어하며, 버퍼링(Buffering) 및 캐싱(Caching)을 활용하여 입출력 성능을 향상시킴

---

🔹 5. 오류 처리 및 예외 관리 (Error Handling & Exception Management)

운영체제는 응용 프로그램 실행 중 발생하는 다양한 오류와 예외(Exception)를 처리하여 시스템 안정성을 유지합니다.

✅ 주요 오류 유형

• 프로그램 충돌(Crash): 응용 프로그램이 비정상적으로 종료되는 현상
• 메모리 접근 오류(Segmentation Fault): 잘못된 메모리 주소를 접근할 때 발생
• 입출력 오류(I/O Error): 디스크나 네트워크 장치에서 데이터를 읽거나 쓸 때 발생

✅ 오류 처리 방법

• 운영체제는 오류가 발생하면 예외 핸들러(Exception Handler)를 호출하여 오류를 해결하거나 로그를 기록
• 심각한 오류가 발생할 경우 사용자에게 경고 메시지를 표시하고, 응용 프로그램을 강제 종료

---

📌 결론: 운영체제는 응용 프로그램 실행을 위한 핵심 역할을 수행한다

운영체제는 응용 프로그램이 원활하게 실행될 수 있도록 프로세스를 관리하고, CPU 및 메모리를 할당하며, 파일 시스템과 입출력 장치를 제어하는 역할을 수행합니다.

• 프로세스를 생성하고, 실행 상태를 관리하며, CPU를 적절히 배분
• 응용 프로그램이 메모리를 효율적으로 사용할 수 있도록 메모리 관리 및 가상 메모리 지원
• 파일 시스템을 통해 데이터를 저장하고 검색할 수 있도록 지원
• 입출력 장치를 제어하고, 프로그램 실행 중 오류를 감지하고 처리