인프런 워밍업 클럽 스터디 3기 - CS 전공지식 <3주차 발자국>

인프런 워밍업 클럽 스터디 3기 - CS 전공지식 섹션8가상 메모리가 나오게 된 이유?물리 메모리(RAM)의 한계를 극복하기 위해 가상 메모리(Virtual Memory)가 등장함초창기 컴퓨터에서는 실행 가능한 프로그램의 크기가 물리 메모리(RAM) 크기보다 작거나 같아야 했음하지만 프로그램이 커지면서 RAM 용량을 초과하는 프로그램 실행이 필요해짐이를 해결하기 위해 디스크(하드 디스크 등)를 이용하여 RAM처럼 사용할 수 있도록 만든 개념이 가상 메모리가상 메모리란?물리 메모리보다 더 큰 주소 공간을 제공하기 위해 디스크를 활용하는 기술프로세스가 실행될 때, 필요한 데이터만 RAM에 적재하고, 나머지는 하드디스크의 가상 메모리 영역(스왑 영역)에 저장프로세스가 참조하는 데이터가 RAM에 없으면 페이지 폴트(Page Fault) 발생 → 디스크에서 해당 데이터를 RAM으로 불러옴쉽게 말하면→ RAM이 부족할 때, 하드 디스크를 추가적인 메모리처럼 활용하는 기술가상 메모리 크기는 어떻게 결정될까?가상 메모리의 크기는 주로 운영체제(OS)와 CPU 아키텍처에 의해 결정됨.CPU의 주소 지정 방식32비트 시스템: 최대 4GB (2³²)64비트 시스템: 이론적으로 최대 16EB (2⁶⁴) (실제 OS마다 제한 다름)운영체제의 정책OS 설정에 따라 가상 메모리 크기 조절 가능 (ex. Windows에서는 "가상 메모리 크기 변경" 설정 가능)하드 디스크 용량가상 메모리는 RAM 일부 + 하드 디스크의 스왑 공간으로 구성됨하드 디스크 용량이 작으면 가상 메모리 크기도 제한됨일반적인 가상 메모리 크기 설정:Windows: RAM의 1.5배 ~ 2배 정도가 기본 설정Linux: 스왑 영역(Swap Partition) 크기를 RAM 크기의 2배로 설정하는 경우 많음가상 메모리를 사용하는 과정프로세스가 주소(가상 주소)를 요청CPU는 MMU(메모리 관리 장치, Memory Management Unit)를 통해 가상 주소를 물리 주소로 변환변환된 주소가 RAM에 존재하면 그대로 사용만약 RAM에 없으면?페이지 폴트(Page Fault) 발생디스크에서 해당 페이지를 RAM으로 가져옴 (스왑)필요 없어진 페이지는 디스크로 내보냄 (페이징 기법 활용)가상 메모리 시스템이란?운영체제가 가상 메모리를 관리하는 시스템페이지 테이블을 이용하여 가상 주소 → 물리 주소 변환페이지 교체 알고리즘(LRU, FIFO 등)을 사용하여 필요한 데이터만 RAM에 유지스왑 영역을 활용하여 필요 없는 페이지는 디스크로 이동하드 디스크의 스왑 영역(Swap Area)이란?RAM이 부족할 때, 데이터를 저장하는 하드 디스크의 공간Linux에서는 Swap Partition, Windows에서는 Pagefile.sys라고 함RAM이 꽉 차면 덜 중요한 데이터를 Swap 영역으로 이동하지만 하드 디스크는 RAM보다 속도가 훨씬 느리므로 성능 저하가 발생할 수 있음즉, RAM의 부족을 보완하지만 속도가 느려서 주의해야 함!메모리 관리자란?운영체제(OS)에서 메모리를 효율적으로 관리하는 역할을 하는 모듈메모리 관리자의 역할?프로세스가 사용할 메모리를 할당 및 해제가상 주소를 물리 주소로 변환페이지 교체 및 스왑 관리외부 단편화와 내부 단편화 해결동적 주소 변환이란?프로세스가 실행 중일 때, 논리 주소(가상 주소)를 물리 주소로 변환하는 과정CPU의 MMU(메모리 관리 장치)가 논리 주소 → 물리 주소 변환 수행페이지 테이블을 이용하여 매핑실행 중인 프로그램이 직접 물리 주소를 알 필요 없음 (OS가 관리)즉, 프로그램이 실제 메모리 주소를 신경 쓰지 않아도 실행 가능하도록 하는 기술!가상 메모리 시스템에서 가변 분할 방식과 고정 분할 방식가변 분할 방식(Variable Partitioning) - 세그멘테이션(Segmentation)프로세스 크기에 맞춰 메모리를 동적으로 할당하는 방식장점메모리를 효율적으로 사용할 수 있음 (공간 낭비 최소화)단점외부 단편화(External Fragmentation) 발생고정 분할 방식(Fixed Partitioning) - 페이징(Paging)고정된 크기의 페이지 단위로 메모리를 나누어 할당장점외부 단편화 없음 (고정된 크기의 페이지 사용)단점내부 단편화(Internal Fragmentation) 발생 가능운영체제에서는 보통 "세그멘테이션 + 페이징"을 혼합하여 사용페이징(Paging)이란?가상 메모리를 일정한 크기(페이지)로 나누어, 물리 메모리에 적재하는 메모리 관리 기법고정된 크기의 블록(페이지) 단위로 메모리를 할당하여 단편화를 줄이고, 효율적인 메모리 사용을 가능하게 함쉽게 말하면:프로세스가 사용하는 메모리를 일정한 크기의 페이지(Page)로 나누고, 이를 물리 메모리의 프레임(Frame)에 매핑하는 방식페이징의 장단점장점외부 단편화(External Fragmentation) 없음페이지 크기가 고정되어 있어 메모리의 작은 빈 공간을 효율적으로 활용 가능메모리 할당이 쉽고 빠름모든 페이지 크기가 동일하므로 메모리 할당 및 해제가 간단가상 메모리를 효율적으로 관리 가능프로세스의 전체 메모리를 한 번에 로드할 필요 없이, 필요한 페이지만 로드 가능→ 요구 페이징(Demand Paging) 가능단점내부 단편화(Internal Fragmentation) 발생 가능프로세스가 페이지 크기보다 작은 메모리를 필요로 할 경우 남는 공간이 낭비됨페이지 테이블의 오버헤드(Overhead) 발생페이지 테이블이 클수록 메모리를 많이 차지하고, 주소 변환 속도가 느려질 수 있음주소 변환 시간이 증가할 수 있음TLB(변환 색인 버퍼, Translation Lookaside Buffer)를 사용하여 속도 향상 가능페이지(Page)란?프로세스의 가상 메모리를 일정한 크기로 나눈 블록각 페이지는 동일한 크기를 가짐 (ex. 4KB, 8KB 등)운영체제가 메모리를 관리하기 쉽게 만들어줌프레임(Frame)이란?물리 메모리(RAM)를 페이지와 동일한 크기의 블록으로 나눈 단위하나의 페이지는 하나의 프레임에 매핑됨즉, "페이지(Page)는 가상 메모리 단위", "프레임(Frame)은 물리 메모리 단위"페이징의 주소 변환 과정프로세스가 가상 주소(논리 주소)를 요청가상 주소를 페이지 번호(Page Number)와 오프셋(Offset)으로 분리페이지 번호를 페이지 테이블(Page Table)에서 찾아서 물리 메모리의 프레임 번호(Frame Number)로 변환프레임 번호 + 오프셋을 조합하여 물리 주소(Physical Address)를 계산변환된 물리 주소를 이용해 메모리에 접근즉, 페이지 테이블을 통해 가상 주소 → 물리 주소로 변환됨!페이지 테이블(Page Table)이란?각 페이지 번호(Page Number)와 해당하는 물리 메모리의 프레임 번호(Frame Number)를 매핑하는 데이터 구조운영체제가 프로세스의 메모리를 관리하는 데 사용됨메모리 관리자가 페이지 테이블을 사용하는 방법페이지 테이블을 참조하여 가상 주소를 물리 주소로 변환각 프로세스마다 개별적인 페이지 테이블을 가짐변환 색인 버퍼(TLB, Translation Lookaside Buffer)를 이용해 주소 변환 속도 향상 가능페이지 넘버(Page Number)란?가상 주소를 페이지 크기로 나눈 몫페이지 테이블에서 참조할 때 사용하는 값페이지 넘버 구하는 공식 페이지 크기가 4KB(4096B)일 경우, 가상 주소 8192라면8192÷4096=2→ 페이지 번호 = 2번 페이지오프셋(Offset)이란?해당 페이지 내에서의 위치(몇 번째 바이트인지)페이지 내부에서 데이터를 찾을 때 사용오프셋 구하는 공식Offset=가상 주소mod 페이지 크기\text{Offset} = \text{가상 주소} \mod \text{페이지 크기}Offset=가상 주소mod페이지 크기페이지 크기가 4KB(4096B)일 경우, 가상 주소 8192라면8192mod 4096=08192 \mod 4096 = 08192mod4096=0→ 0번째 위치 (페이지의 첫 번째 바이트)세그멘테이션(Segmentation)과 페이징(Paging)의 차이점운영체제는 보통 "세그멘테이션 + 페이징"을 함께 사용하여 단점 보완페이지 크기의 중요성작은 페이지 크기 (ex. 4KB)장점: 내부 단편화 줄어듦단점: 페이지 테이블 크기 증가 → 관리 오버헤드 증가큰 페이지 크기 (ex. 64KB, 2MB)장점: 페이지 테이블 크기 감소 → 주소 변환 속도 빨라짐단점: 내부 단편화 증가페이지 크기는 내부 단편화와 페이지 테이블 크기 사이에서 균형을 맞춰야 함내부 단편화(Internal Fragmentation)란?페이지 크기보다 작은 메모리를 할당할 때, 남는 공간이 낭비되는 문제예: 4KB 페이지에 3.8KB 데이터 저장 → 0.2KB 낭비외부 단편화(External Fragmentation)란?메모리가 사용 가능한 공간으로 남아 있지만, 필요한 크기의 연속된 공간이 부족하여 할당할 수 없는 문제페이징 기법을 사용하면 외부 단편화를 방지할 수 있음!페이지 테이블 크기에 따른 장단점페이지 테이블이 작을 경우장점: 메모리 공간 절약단점: 페이지 크기가 커서 내부 단편화 증가페이지 테이블이 클 경우장점: 페이지 크기가 작아져 내부 단편화 감소단점: 페이지 테이블이 너무 크면 메모리 관리 오버헤드 증가결론적으로, 페이지 크기와 페이지 테이블 크기 사이에서 최적의 균형을 찾는 것이 중요함! 1. 페이지 교체 정책(Page Replacement Policy)페이지 교체 정책은 메모리가 꽉 찼을 때 어떤 페이지를 스왑 영역으로 보낼지 결정하는 방식이다.가상 메모리 시스템에서 페이지 폴트가 발생하여 새로운 페이지를 로드해야 하지만, 물리 메모리에 빈 공간이 없는 경우 기존 페이지를 제거해야 하는데, 이때 어떤 페이지를 선택할지를 결정하는 알고리즘이다.2. 페이지 폴트(Page Fault)란?프로그램이 가상 메모리의 페이지를 요청했으나, 해당 페이지가 물리 메모리에 없는 경우 발생하는 인터럽트이다.이때 운영체제(OS)는 페이지 폴트를 처리하기 위해 디스크에서 해당 페이지를 읽어와 물리 메모리에 로드한다.3. 페이지 폴트가 발생하는 이유실행 중인 프로그램이 처음으로 특정 페이지를 참조할 때실행 중인 프로그램이 스왑 영역에 저장된 페이지를 다시 참조할 때메모리가 부족하여 페이지를 교체해야 하는 상황4. 페이지 교체 정책 종류1) 무작위(Random) 페이지 교체 알고리즘교체할 페이지를 랜덤하게 선택하여 제거하는 방법.구현이 단순하지만 성능이 좋지 않음.장점: 구현이 쉬움.단점: 성능이 낮고, 비효율적인 교체가 발생할 수 있음.2) FIFO(First-In, First-Out) - 가장 오래된 페이지 교체메모리에 가장 먼저 들어온 페이지를 제거하는 방식.큐(Queue)를 이용하여 가장 앞쪽에 있는 페이지를 제거함.장점: 구현이 간단함.단점: 오래된 페이지가 자주 사용되는 경우에도 교체될 수 있음. (Belady’s anomaly 발생 가능)FIFO 과정페이지 요청이 들어오면, 메모리에 없으면 페이지 폴트 발생.물리 메모리에 빈 공간이 없으면, 가장 먼저 들어온 페이지를 제거.새로운 페이지를 해당 공간에 삽입.3) OPT(Optimal) - 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지 교체앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 제거하는 방식.이론적으로 가장 효율적인 방법이지만, 미래의 메모리 접근 패턴을 알아야 하므로 현실적으로 구현이 불가능함.장점: 이론적으로 페이지 폴트 발생 횟수가 가장 적음.단점: 실제로 구현이 불가능함.4) LRU(Least Recently Used) - 최근 가장 적게 사용된 페이지 교체최근 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 제거하는 방식.과거의 페이지 참조 기록을 기반으로 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 선택함.장점: 자주 사용하는 페이지는 유지할 가능성이 높음.단점: 구현이 다소 복잡하고, 최근 사용 정보를 저장하는데 추가적인 메모리 비용이 발생.LRU 과정페이지 요청이 들어오면, 메모리에 없으면 페이지 폴트 발생.메모리에 빈 공간이 없으면, 가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 제거.새로운 페이지를 해당 공간에 삽입.5. 페이지 테이블 엔트리(Page Table Entry, PTE)페이지 테이블의 각 항목(엔트리)으로, 가상 주소와 물리 주소의 매핑 정보를 저장하는 데이터 구조.포함되는 주요 정보페이지 프레임 번호 (어떤 물리적 주소에 해당하는지)유효(Valid) 비트 (페이지가 물리 메모리에 존재하는지 여부)읽기/쓰기 권한 정보페이지가 수정되었는지(Dirty 비트)페이지 테이블 엔트리에 데이터를 저장할 때 발생하는 단점페이지 테이블 크기가 커질 수 있음 → 메모리 낭비 발생.페이지 테이블 검색 시간이 증가 → 성능 저하 발생.추가적인 TLB(Translation Lookaside Buffer) 캐시 필요 → 성능 향상을 위한 추가 하드웨어 비용 발생.P4 방식이란?P4 방식은 4단계 페이지 테이블 구조를 사용하는 메모리 관리 방식으로, 주로 64비트 운영체제에서 사용됨.P4 페이지 테이블 구조P4 Directory → P3 Directory → P2 Directory → P1 Table → 물리 메모리가상 주소를 4단계에 걸쳐 변환하여 물리 메모리를 찾음.장점큰 메모리 공간(64비트 주소 공간)을 효율적으로 관리 가능.페이지 테이블을 계층적으로 나누어 메모리 낭비를 줄임.단점주소 변환 과정이 4단계로 늘어나므로 속도가 느릴 수 있음.TLB 캐시 미스가 발생할 경우 성능 저하 가능성.정리페이지 교체 정책: 메모리가 꽉 찼을 때 교체할 페이지를 선택하는 방법.FIFO: 가장 먼저 들어온 페이지 제거 (단순하지만 성능 낮음).OPT: 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지 제거 (이론적 최적, 실제 구현 불가능).LRU: 최근 가장 사용이 적은 페이지 제거 (성능 좋지만 구현 복잡).P4 방식: 4단계 페이지 테이블 구조를 사용하는 메모리 관리 기법 (64비트 운영체제에서 사용).스레싱(Thrashing)이란?스레싱(Thrashing)은 운영체제가 대부분의 시간을 페이지 교체 작업에 소비하여 실제 작업 수행이 거의 이루어지지 않는 현상을 의미한다.즉, 페이지 폴트가 너무 자주 발생하여 CPU가 계속해서 페이지 교체만 수행하고, 유효한 작업을 처리하지 못하는 상태를 말한다.스레싱이 일어나는 과정프로세스가 증가하면서 메모리 사용량이 많아짐물리 메모리가 부족하여 페이지 폴트가 빈번하게 발생운영체제가 페이지 교체를 계속 수행하면서 CPU가 대부분의 시간을 페이지 교체 작업에 소모실제 프로그램 실행 속도가 크게 저하됨CPU 이용률이 낮아지고, 전체 시스템 성능이 급격히 저하됨스레싱이 발생하는 이유프로세스의 워킹 셋(Working Set) 크기가 물리 메모리보다 클 때과도한 멀티태스킹으로 인해 메모리가 부족할 때운영체제가 너무 많은 프로세스를 동시에 실행할 때잘못된 페이지 교체 정책이 사용될 때 (ex. FIFO가 Belady's anomaly를 유발하는 경우)지역성(Locality) 특성이 약한 경우 (즉, 프로그램이 너무 많은 서로 다른 페이지를 반복적으로 참조하는 경우)운영체제가 스레싱을 해결하기 위한 방법1) 워킹 셋(Working Set) 알고리즘 적용각 프로세스가 일정 시간 동안 참조하는 페이지 집합(워킹 셋)을 유지하도록 제한필요 이상의 페이지 교체를 방지하여 스레싱을 감소2) 페이지 부하 조절(Page Load Control) - 다중 프로그래밍 수준 조정실행 중인 프로세스 수를 줄여서 각 프로세스에 할당되는 메모리를 증가시킴즉, 프로세스의 개수를 줄이면 남은 프로세스가 더 많은 메모리를 사용 가능3) 프레임 할당 정책 개선최소한의 페이지 프레임을 보장하는 페이지 할당 정책을 개선하여 스레싱을 예방예: LRU(Least Recently Used) 알고리즘 사용하여 효율적인 페이지 교체 수행4) 페이지 폴트 빈도(Page Fault Frequency, PFF) 제어페이지 폴트가 너무 자주 발생하면, 프로세스에게 더 많은 페이지를 할당페이지 폴트가 너무 적으면, 불필요한 페이지를 회수하여 다른 프로세스에 할당5. 워킹 셋(Working Set)이란?워킹 셋(Working Set)이란, 프로세스가 일정 시간 동안 자주 참조하는 페이지들의 집합이다.워킹 셋 개념의 핵심프로그램은 지역성(Locality) 원칙을 따르므로, 일정 시간 동안 특정한 페이지들만 집중적으로 참조함따라서 해당 페이지들을 메모리에 유지하면 페이지 폴트를 줄일 수 있음워킹 셋을 기준으로 메모리 할당을 조절하면 스레싱을 방지할 수 있음정리스레싱(Thrashing): CPU가 대부분의 시간을 페이지 교체에 소비하여 실제 작업이 거의 수행되지 않는 현상발생 원인: 프로세스 증가, 메모리 부족, 잘못된 페이지 교체 정책, 지역성 부족해결 방법:워킹 셋 알고리즘 적용프로세스 개수 조절(다중 프로그래밍 수준 조정)효율적인 페이지 교체 정책 적용페이지 폴트 빈도(Page Fault Frequency) 조절섹션 09 주변 장치(Peripheral Device) 내부 구조주변 장치는 컴퓨터 시스템의 입출력(I/O) 작업을 수행하는 장치이며, 내부적으로 다음과 같은 구조를 가진다. 주변 장치의 기본 내부 구조제어(Control) 회로CPU나 메모리와 신호를 주고받으며 입출력 요청을 처리I/O 작업을 수행하는 동안 상태를 유지데이터 버퍼(Data Buffer)데이터를 임시 저장하여 CPU와의 통신을 원활하게 함블록 단위 또는 스트림 단위로 데이터 처리입출력 인터페이스CPU와 주변 장치 간 데이터 전송을 담당하는 인터페이스예: USB, PCIe, SATA, I2C 등주변 장치 종류(1) 입력 장치 (Input Devices)컴퓨터에 데이터를 입력하는 장치예: 키보드, 마우스, 스캐너, 터치스크린, 조이스틱(2) 출력 장치 (Output Devices)컴퓨터의 처리 결과를 사용자에게 보여주는 장치예: 모니터, 프린터, 스피커(3) 저장 장치 (Storage Devices)데이터를 저장하고 읽는 장치예: HDD, SSD, USB, SD 카드(4) 네트워크 장치 (Network Devices)네트워크 통신을 담당하는 장치예: LAN 카드, Wi-Fi 모듈, 블루투스 장치캐릭터 디바이스(Character Device)와 블록 디바이스(Block Device)(1) 캐릭터 디바이스(Character Device)바이트 단위로 데이터를 읽고 쓰는 장치스트림 기반으로 동작하며, 데이터가 순차적으로 처리됨예: 키보드, 마우스, 시리얼 포트, 터미널(2) 블록 디바이스(Block Device)데이터를 블록 단위(예: 512B, 4KB 등)로 읽고 쓰는 장치랜덤 액세스 가능, 즉 특정 블록을 바로 읽고 쓸 수 있음예: HDD, SSD, USB, CD/DVD고속 입출력 버스와 저속 입출력 버스(1) 고속 입출력 버스(High-Speed I/O Bus)대용량 데이터 전송이 필요한 장치에 사용CPU와 직접 연결되어 빠른 속도로 데이터를 주고받음예: PCIe, SATA, NVMe(2) 저속 입출력 버스(Low-Speed I/O Bus)상대적으로 낮은 대역폭을 요구하는 장치에 사용주로 센서, 키보드, 마우스 등 저속 장치에 사용예: I2C, SPI, UART, USB(2.0 이하)Direct Memory Access (DMA)란?DMA(Direct Memory Access, 직접 메모리 접근)는 CPU의 개입 없이 주변 장치가 메모리와 직접 데이터를 주고받을 수 있도록 하는 기술이다. DMA의 동작 과정CPU가 DMA 컨트롤러(DMAC)에게 메모리 주소와 데이터 크기를 설정DMA 컨트롤러가 직접 I/O 장치 ↔ 메모리 간 데이터 전송 수행데이터 전송이 완료되면 DMA 컨트롤러가 CPU에게 인터럽트(Interrupt) 발생 DMA의 장점CPU 부하 감소 → CPU가 데이터 이동 작업에서 해방됨빠른 데이터 전송 → CPU 개입 없이 고속 데이터 처리 가능효율적인 입출력 성능 향상 DMA를 사용하는 대표적인 장치HDD, SSD, 그래픽 카드(GPU), 네트워크 카드(NIC)대용량 데이터를 빠르게 전송하는 장치에 주로 사용됨DSP(Digital Signal Processor)란?DSP(Digital Signal Processor, 디지털 신호 처리기)는 디지털 신호를 빠르게 처리하는 특수 목적의 마이크로프로세서이다.DSP의 역할아날로그 신호(소리, 영상, 센서 데이터 등)를 디지털 신호로 변환하여 연산빠른 실시간 신호 처리가 가능하여 오디오, 영상, 통신, 의료 장비 등에 사용됨일반 CPU보다 병렬 연산(동시 연산)에 특화됨DSP의 활용 분야오디오/영상 처리 → MP3 플레이어, 스마트폰 음성 인식, 영상 코덱통신 시스템 → 5G, Wi-Fi 신호 처리, 모뎀의료 장비 → MRI, 초음파 영상 처리자동차 → 차량 내 음성 인식, 레이더 신호 처리DSP vs 일반 CPU 차이점키보드와 마우스를 통한 애플리케이션 동작 과정입력 장치(Keyboard & Mouse)의 동작 과정사용자가 키보드/마우스 입력키보드의 키를 누르거나 마우스를 이동/클릭입력 장치의 컨트롤러가 신호 처리키보드: 스캔코드(Scan Code) 생성마우스: 위치 정보(x, y) 및 버튼 클릭 이벤트 생성입력 신호가 운영체제(OS)로 전달됨키보드/마우스 입력은 인터럽트(Interrupt) 방식으로 OS에 전달됨OS가 입력을 애플리케이션에 전달운영체제(Windows, Linux, macOS 등)가 이벤트를 감지적절한 애플리케이션에 입력 이벤트 전달(이벤트 큐 활용)애플리케이션이 입력을 처리하여 동작 수행키보드 입력 → 텍스트 입력, 단축키 실행마우스 입력 → 버튼 클릭, 드래그, UI 조작예시: 웹 브라우저에서 키보드와 마우스를 통한 동작 과정사용자가 Google 검색창에 "DSP란?" 입력키보드 이벤트 → 웹 브라우저가 입력을 감지하여 텍스트 표시엔터 키 입력 → 웹 브라우저가 검색 요청을 서버에 전달마우스 클릭 → 검색 버튼을 클릭하면 검색 결과 페이지 로드하드 디스크 구조하드 디스크(HDD, Hard Disk Drive)는 데이터를 저장하는 자기 저장 장치로, 내부적으로 여러 개의 플래터(Platter)가 회전하며 데이터를 저장하고 읽는다.하드 디스크 주요 구성 요소플래터(Platter): 데이터를 저장하는 원형 디스크스핀들(Spindle): 플래터를 회전시키는 중심축헤드(Head): 데이터를 읽고 쓰는 장치암(Arm): 헤드를 이동시키는 기구액추에이터(Actuator): 헤드의 움직임을 제어하는 장치플래터(Platter)란?플래터(Platter)는 HDD 내부에서 데이터를 저장하는 원형 디스크이다.특징자성을 띤 표면을 갖고 있어 데이터를 저장여러 개의 플래터가 수직으로 겹쳐진 형태로 배치고속 회전(RPM 단위, 보통 5,400~7,200 RPM)플래터 구조트랙(Track): 플래터의 원형 경로섹터(Sector): 트랙을 나눈 최소 저장 단위클러스터(Cluster): 여러 섹터가 모인 데이터 저장 단위실린더(Cylinder): 여러 플래터의 같은 위치에 있는 트랙들의 집합시크 타임(Seek Time)이란?시크 타임(Seek Time)은 헤드가 원하는 트랙으로 이동하는 데 걸리는 시간을 의미한다.하드 디스크의 속도를 결정하는 중요한 요소보통 밀리초(ms) 단위로 측정됨짧을수록 HDD 속도가 빠름시크 타임 최적화 방법파일 조각 모음(Defragmentation): 파일을 연속된 클러스터에 배치하여 헤드 이동 최소화캐시(Buffer) 사용: 자주 사용하는 데이터를 미리 로드플래시 메모리(Flash Memory)란?플래시 메모리(Flash Memory)는 전원이 없어도 데이터가 유지되는 반도체 저장 장치비휘발성(Non-volatile) 메모리로, 전원이 꺼져도 데이터 유지기계적 움직임이 없는 반도체 기반 저장 장치HDD보다 빠르고, SSD(솔리드 스테이트 드라이브)에 사용됨플래시 메모리의 종류플래시 메모리 구조플래시 메모리는 '셀(Cell)'이라는 단위로 구성됨페이지(Page): NAND 플래시의 최소 저장 단위블록(Block): 여러 개의 페이지로 구성됨플래시 컨트롤러: 데이터 읽기/쓰기 및 관리 담당플래시 메모리의 동작 방식쓰기(Program): 전압을 가해 데이터를 저장읽기(Read): 저장된 데이터를 읽음삭제(Erase): 데이터를 삭제할 때 블록 단위로 초기화플래시 메모리의 특징기계적 움직임이 없어 내구성이 뛰어남빠른 데이터 액세스 속도수명이 제한됨(특정 횟수 이상 덮어쓰기하면 성능 저하)HDD vs SSD (플래터 기반 vs 플래시 메모리 기반) 섹션 10파일 시스템(File System)이란?파일 시스템은 운영체제가 데이터를 저장하고 관리하는 방식이다.하드디스크, SSD, USB 등 저장 장치에서 파일을 생성, 삭제, 수정, 검색하는 기능을 담당한다.파일 시스템의 기능파일과 디렉토리 관리: 생성, 수정, 삭제접근 권한 관리: 읽기/쓰기/실행 권한 설정무결성 보장: 데이터 손상 방지백업과 복구: 데이터 보호 및 복원파일 암호화: 보안 강화블록 디바이스(Block Device)하드디스크(HDD)와 플래시 메모리(SSD)는 블록 디바이스이다.블록 단위로 데이터를 저장하고 처리하는 저장 장치.블록 단위로 접근하여 데이터를 읽고 쓰므로 빠른 속도와 효율적인 관리 가능.윈도우 파일 확장자(예시)파일 확장자는 파일의 형식과 실행 프로그램을 결정한다.파일 디스크립터(File Descriptor)란?운영체제가 파일을 관리하는 식별자(정수형 값)파일이 열리면, 운영체제는 파일 디스크립터(파일 번호)를 할당함프로세스는 이 디스크립터를 이용해 파일을 읽고, 쓰고, 닫음시스템 콜(System Call)이란?운영체제의 서비스(파일 조작, 프로세스 관리 등)를 요청하는 인터페이스유저 모드 → 커널 모드 전환을 통해 하드웨어 접근 가능파일 시스템 관련 시스템 콜 예시open() → 파일 열기read() → 파일 읽기write() → 파일 쓰기close() → 파일 닫기7. 파일의 데이터 집합 종류파일 시스템에서 데이터를 저장하는 방식(파일 구조)에 따라 3가지로 분류됨(1) 순차 파일 구조 (Sequential File Organization)데이터를 순차적으로 저장하는 방식테이프(Tape) 저장 방식과 유사과정데이터를 순서대로 저장읽거나 검색할 때 처음부터 순서대로 접근수정 시 새로운 파일을 만들어 다시 저장장점저장 방식이 간단하고 구현이 쉬움연속적으로 데이터 처리 시 속도가 빠름단점특정 데이터 검색 시 시간이 오래 걸림삽입/삭제 작업이 비효율적(2) 직접 파일 구조 (Direct File Organization)키 값(해시 함수 등)을 이용해 직접 접근하는 방식HDD, SSD 같은 랜덤 액세스가 가능한 저장 장치에 적합과정키 값(해시 함수 등)을 통해 특정 위치에 바로 저장데이터를 검색할 때 키 값을 이용해 즉시 접근장점데이터 검색 속도가 빠름대량의 데이터 관리에 적합단점키 값 충돌(Hash Collision) 문제가 발생할 수 있음데이터 저장 공간이 비효율적으로 사용될 수 있음(3) 인덱스 파일 구조 (Indexed File Organization)데이터 위치를 저장하는 인덱스를 별도로 관리하는 방식데이터와 별도로 인덱스 파일을 유지하여 빠른 검색 가능과정데이터의 위치 정보를 인덱스 테이블에 저장검색 시 인덱스를 먼저 조회하여 해당 데이터를 빠르게 찾음장점검색 속도가 빠름 (특히 대량의 데이터에서 효과적)삽입/삭제가 비교적 효율적단점인덱스를 추가로 저장해야 하므로 메모리 공간이 필요함데이터 변경이 많으면 인덱스 유지 비용이 발생 '그림으로 쉽게 배우는 자료구조와 알고리즘(기본편)' 3주차알고리즘 삽입 정렬 (Insertion Sort)삽입정렬이란?삽입정렬은 정렬되지 않은 데이터를 하나씩 골라, 이미 정렬된 부분에 적절한 위치에 삽입하는 방식입니다.작은 데이터에서 효율적이지만, 데이터가 많아질수록 비효율적입니다.시간복잡도, 장단점시간복잡도: 평균 및 최악 시간 복잡도는 O(n²) (최악의 경우는 모든 원소를 하나씩 비교해야 함)장점:간단하고 구현이 용이정렬이 거의 되어 있는 배열에서는 빠른 속도추가 메모리 필요 없음 (In-place 정렬)단점:데이터가 많아질수록 비효율적최악의 경우 O(n²)의 시간 복잡도C++ 예시 구현 코드#include using namespace std; void insertionSort(int arr[], int n) { for (int i = 1; i = 0 && arr[j] > key) { arr[j + 1] = arr[j]; j--; } arr[j + 1] = key; } } int main() { int arr[] = {12, 11, 13, 5, 6}; int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); insertionSort(arr, n); cout 병합 정렬 (Merge Sort)병합정렬이란?병합정렬은 분할 정복 알고리즘을 사용하여 배열을 반으로 나누고, 나눈 배열을 재귀적으로 정렬한 후, 두 배열을 병합하는 방식입니다.시간복잡도, 장단점시간복잡도: 항상 O(n log n) (배열을 계속 반으로 나누고 합치는 과정에서 시간이 걸림)장점:항상 O(n log n)의 성능을 보장안정적 정렬 (같은 값이 있으면 원래의 순서를 유지)단점:추가 메모리가 필요 (O(n))복잡한 구현C++ 예시 구현 코드 #include using namespace std; void merge(int arr[], int left, int right) { if (left 퀵 정렬 (Quick Sort)퀵정렬이란?퀵정렬은 분할 정복 알고리즘을 사용하며, 기준값(pivot)을 정해 배열을 두 부분으로 분할한 후, 각 부분에 대해 재귀적으로 정렬하는 방식입니다.시간복잡도, 장단점시간복잡도: 평균 시간 복잡도는 O(n log n), 최악의 경우는 O(n²) (배열이 이미 정렬된 경우)장점:빠른 정렬 속도 (평균 O(n log n))메모리 사용 효율적 (In-place 정렬)단점:최악의 경우 O(n²) 시간이 걸릴 수 있음 (피벗 선택에 따라)불안정한 정렬 (같은 값이 있으면 순서가 달라질 수 있음)C++ 예시 구현 코드#include using namespace std; int partition(int arr[], int low, int high) { int pivot = arr[high]; int i = low - 1; for (int j = low; j 동적 프로그래밍 - 메모이제이션 (Memoization)메모이제이션이란?메모이제이션은 이미 계산된 값을 캐시하여 재사용하는 방법입니다. 주로 재귀 함수에서 많이 사용됩니다.시간복잡도, 장단점시간복잡도: 중복 계산을 방지하여 시간 복잡도를 O(n)으로 줄일 수 있음장점:재귀적 문제 해결 시 성능 향상중복 계산 방지단점:메모리 사용량 증가 (캐시를 저장해야 하므로)C++ 예시 구현 코드 (피보나치 수열)#include #include using namespace std; unordered_map memo; int fib(int n) { if (n 동적 프로그래밍 - 타뷸레이션 (Tabulation)타뷸레이션이란?타뷸레이션은 하향식 문제 해결 방식입니다. 하위 문제를 먼저 계산하고, 이를 기반으로 상위 문제를 해결합니다.시간복잡도, 장단점시간복잡도: 보통 O(n) (배열을 채우는 과정에서)장점:메모리 사용 효율적중복 계산을 제거단점:재귀적 사고가 아닌 반복적 방법 (문제를 재귀적으로 풀고 싶을 때 불편)C++ 예시 구현 코드 (피보나치 수열) #include using namespace std; int fib(int n) { int dp[n + 1]; dp[0] = 0; dp[1] = 1; for (int i = 2; i 완주 후기:혼자서 강의를 듣기 시작했다면 두 강의를 완주하지 못했을 것 같다. 커리큘럼 따라서 완주를 하고, 감자님이 내주신 문제들에 대한 답변들을 풀이하면서 더 찾아보게 되는 것 같았습니다.3주차에 수강한 강의 내용들은 너무 어려워서 다시 한번 돌려보고 후에, 전체적으로 모든 강의를 다시 볼 생각입니다.좋은 강의 제공해주셔서 감사합니다.