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컴퓨터 실행 구조, 운영체제, 동시성, 네트워크, 데이터베이스까지 개발 면접과 실무에서 다시 찾는 CS 기초를 정리합니다.

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레퍼런스 검색

컴퓨터 실행과 메모리

프로그램이 실행되는 전체 흐름

소스 코드가 실행 파일이 되고 운영체제가 프로세스를 만든 뒤 CPU, 메모리, 장치가 함께 명령을 처리하는 전체 경계를 정리합니다.

source code
-> compiler / linker
-> executable file
-> operating-system loader
-> process + virtual address space
-> thread scheduled on a CPU
-> instructions read and executed
-> memory and device I/O

CPU가 명령을 실행하는 과정

CPU의 fetch, decode, execute 흐름과 레지스터, 분기, 파이프라인이 프로그램 실행 속도에 미치는 영향을 정리합니다.

fetch instruction
-> decode opcode and operands
-> read registers / memory
-> execute operation
-> write result
-> advance or change instruction pointer

캐시와 메모리 계층

레지스터, CPU 캐시, RAM, 저장 장치의 속도·용량 차이와 지역성이 실제 코드 성능에 연결되는 방식을 정리합니다.

faster / smaller
registers -> L1 -> L2 -> last-level cache -> RAM -> storage
slower / larger

CPU와 GPU 작업 선택

복잡한 제어 흐름과 대량 병렬 계산 중 어떤 작업을 CPU와 GPU에 맡길지, 데이터 전송 비용까지 포함해 판단하는 기준을 정리합니다.

정수 표현과 Endianness

정수의 비트 폭과 2의 보수, signed·unsigned 경계, byte order가 파일·네트워크·메모리 해석에 미치는 영향을 정리합니다.

8-bit unsigned: 0 .. 255
8-bit signed two's complement: -128 .. 127

value 0x12345678
big-endian bytes:    12 34 56 78
little-endian bytes: 78 56 34 12

Compile·Link·Load 구분

소스 파일이 목적 파일과 실행 결과물이 되고 운영체제에 로드될 때까지 compile, link, load 단계의 입력과 오류를 구분합니다.

source file
-> preprocess / compile
-> object file
-> link with other objects and libraries
-> executable or library
-> operating-system loader
-> process starts

프로세스 메모리 영역 읽기

실행 이미지의 code·data 영역과 thread stack, heap, memory-mapped 영역을 수명과 권한 기준으로 구분합니다.

executable code      -> read + execute
read-only constants  -> read
global/static data   -> process lifetime
heap allocations     -> allocator / runtime lifetime
thread stack         -> one stack per thread
mapped regions       -> files, libraries, reserved memory

Stack과 Heap 선택

호출 흐름에 묶인 stack과 동적 수명을 다루는 heap을 할당 비용, 크기, 소유권과 수명 기준으로 비교합니다.

운영체제와 프로세스

Program과 Process 구분

저장된 실행 파일과 운영체제가 메모리·자원·실행 상태를 부여한 프로세스를 구분합니다.

program: storage에 놓인 코드와 데이터
process: 실행 중인 program + address space + handles + execution state

Process와 Thread 비교

프로세스의 격리된 자원 경계와 스레드의 실행 흐름을 공유 메모리, 개별 상태, 통신 비용 기준으로 비교합니다.

가상 주소 공간과 메모리 보호

프로세스가 보는 가상 주소와 실제 물리 저장 위치를 구분하고 페이지별 접근 권한이 오류와 격리를 만드는 방식을 정리합니다.

process virtual address
-> page-table translation
-> physical page or mapped backing storage
-> read / write / execute permission check

Paging과 Page Fault

가상 메모리를 page 단위로 관리하는 이유와 page fault가 정상적인 demand paging인지 잘못된 접근인지 구분하는 기준을 정리합니다.

page fault
├─ valid mapping, page not resident -> OS brings or prepares the page, then resumes
└─ invalid mapping or permission    -> access violation / process error

User Mode와 Kernel Mode 경계

애플리케이션이 제한된 user mode에서 실행되고 파일·장치·프로세스 같은 보호 자원을 system call 경계로 요청하는 이유를 정리합니다.

application in user mode
-> library / runtime API
-> system-call boundary
-> kernel validates request and permissions
-> driver or kernel subsystem performs protected work
-> result returns to user mode

Context Switching과 Scheduling

운영체제가 실행할 스레드를 고르고 CPU 상태를 교체하는 과정과 스레드 수가 많을 때 생기는 대기·캐시 비용을 정리합니다.

running thread blocks, yields, or is preempted
-> save execution context
-> scheduler selects a runnable thread
-> restore its context
-> resume execution

프로세스 수명과 IPC 선택

프로세스 생성·종료 경계와 pipe, socket, shared memory, RPC를 데이터 크기·격리·복구 기준으로 고르는 방법을 정리합니다.

Interrupt·Exception·System Call 구분

CPU 실행 흐름을 바꾸는 하드웨어 interrupt, 현재 명령에서 발생하는 exception, application이 의도적으로 kernel 서비스를 요청하는 system call을 구분합니다.

interrupt   -> 장치·timer처럼 현재 명령 바깥의 비동기 사건
exception   -> 현재 명령 실행 중 fault·trap·abort 같은 동기 사건
system call -> user code가 OS 서비스를 의도적으로 요청하는 제어 전환

File Handle과 File System 경계

경로를 열어 process-local file descriptor 또는 handle을 얻고, offset·buffer·metadata를 거쳐 bytes를 읽고 쓰는 파일 I/O 경계를 정리합니다.

path -> open/CreateFile -> descriptor or HANDLE
     -> read/write at file offset -> OS page cache -> file system -> storage
close/CloseHandle -> process reference release

동시성과 동기화

Concurrency와 Parallelism 구분

여러 작업이 진행 가능한 구조인 동시성과 같은 순간 실제로 실행되는 병렬성을 구분하고 비동기·멀티스레드와 연결합니다.

concurrency: 여러 작업의 진행을 겹쳐 관리하는 구조
parallelism: 여러 작업이 같은 시간대에 실제로 실행됨
asynchrony:  완료를 기다리는 동안 실행 흐름을 막지 않는 표현

Race Condition과 Critical Section

공유 상태의 결과가 실행 순서에 따라 달라지는 race condition과 반드시 원자적으로 보호해야 할 critical section을 정리합니다.

shared mutable state
+ multiple overlapping accesses
+ at least one write
+ missing ordering rule
= race condition candidate

Mutex와 Semaphore 선택

한 소유자의 상호 배제와 제한된 개수의 허가권을 관리하는 mutex·semaphore를 소유권과 허용 동시성 기준으로 비교합니다.

Condition Variable로 조건 기다리기

공유 조건이 바뀔 때까지 lock을 놓고 대기한 뒤 깨어나 조건을 다시 검사하는 condition variable 패턴을 정리합니다.

lock mutex
while condition is false:
    wait(condition_variable, mutex)  # atomically unlocks and sleeps
use protected state
unlock mutex

Deadlock 조건과 예방

서로 자원을 기다리며 진행하지 못하는 deadlock의 네 조건과 lock ordering, 범위 축소, timeout의 실제 역할을 정리합니다.

mutual exclusion
+ hold and wait
+ no forced preemption
+ circular wait
= deadlock can occur

Atomic 연산과 Memory Visibility

중간 상태 없이 수행되는 atomic 연산과 thread 사이에서 값이 보이는 순서를 구분하고 lock-free 선택의 경계를 정리합니다.

atomic counter increment -> one indivisible read-modify-write
atomic flag publish      -> value + ordering contract required
multi-field invariant    -> atomic one field alone is usually insufficient

Sync·Async와 Blocking·Non-blocking 구분

작업 완료를 전달하는 sync·async 축과 호출 thread가 기다리는 blocking·non-blocking 축을 분리해 API 동작을 읽는 기준을 정리합니다.

synchronous:  호출 흐름이 결과 완료를 직접 이어서 받음
asynchronous: 완료가 future, callback, event 등으로 나중에 전달됨
blocking:     호출 thread가 진행하지 못하고 기다림
non-blocking: 즉시 반환하며 현재 가능한 결과만 알림

Thread Pool과 Work Queue

작업마다 스레드를 새로 만드는 대신 재사용 가능한 worker와 queue로 실행량을 제어하는 기준과 starvation 위험을 정리합니다.

producer submits work
-> bounded or unbounded queue
-> reusable workers pull tasks
-> task completes or reports failure
-> worker returns to pool

네트워크

네트워크 계층 모델 읽기

애플리케이션 데이터가 전송·인터넷·링크 계층을 거쳐 전달되는 흐름과 OSI 7계층을 실제 TCP/IP 구현에 연결하는 기준을 정리합니다.

OSI 7: Application | Presentation | Session | Transport | Network | Data Link | Physical
TCP/IP: Application                | Transport | Internet | Link

IP Address·Subnet·Port 구분

IP 주소가 host interface를, subnet prefix가 network 범위를, port가 transport endpoint를 구분하는 방식을 정리합니다.

IP address     -> packet의 출발지·목적지 interface 주소
prefix / CIDR  -> 어느 주소 범위가 같은 network인지
port           -> host 안의 어느 TCP/UDP endpoint인지
socket address -> protocol + IP + port
route table    -> 실제 출력 interface와 next hop 결정

TCP와 UDP 선택

연결형 byte stream인 TCP와 message 단위 datagram인 UDP를 신뢰성, 순서, 지연, 애플리케이션 책임 기준으로 비교합니다.

TCP 연결과 신뢰성 흐름

TCP의 연결 수립, sequence·acknowledgment, 재전송, flow control, congestion control과 종료 상태를 하나의 흐름으로 정리합니다.

SYN -> SYN-ACK -> ACK
data: sequence numbers + acknowledgments + retransmission
receive window: protect receiver
congestion control: protect network
FIN / ACK or RST: close or abort

Socket Client·Server 수명

Server의 socket·bind·listen·accept와 client의 connect 이후 send·receive·shutdown·close 수명을 구분합니다.

server: socket -> bind -> listen -> accept -> send/recv -> shutdown -> close
client: socket -> connect -------> send/recv -> shutdown -> close

I/O Multiplexing과 Completion 모델

많은 socket을 thread 하나씩 막아 기다리지 않고 readiness 또는 completion 이벤트로 처리하는 두 모델의 차이를 정리합니다.

readiness model:  "지금 읽거나 쓸 수 있음"을 알림 -> application이 I/O 수행
completion model: I/O를 먼저 요청 -> 완료된 결과와 byte 수를 나중에 받음

DNS 이름 해석 흐름

도메인 이름이 resolver, cache, authoritative server를 거쳐 record로 해석되는 과정과 TTL·negative caching 경계를 정리합니다.

application
-> local hosts / cache
-> recursive resolver
-> root referral
-> TLD referral
-> authoritative answer
-> cached result with TTL

HTTP Request와 Response 읽기

HTTP method, target, header, body와 status code를 자원 의미·멱등성·cache 경계로 읽는 기준을 정리합니다.

GET /players/42 HTTP/1.1
Host: example.com
Accept: application/json

HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: application/json

{"id":42,"name":"Mina"}

Windows IOCP와 Overlapped I/O

Windows에서 overlapped I/O 요청을 completion port에 연결하고 제한된 worker가 완료 packet을 처리하는 구조와 buffer 수명을 정리합니다.

create completion port
-> associate socket or file handle with a completion key
-> issue overlapped I/O with buffer + OVERLAPPED state
-> kernel completes operation
-> completion packet enters port queue
-> worker dequeues bytes, key, OVERLAPPED pointer
-> process result and issue next operation

보안 기초

Hash·대칭키·비대칭키 구분

복원하지 않는 hash, 같은 secret을 쓰는 대칭키 암호, public·private key 쌍을 쓰는 비대칭키 암호의 목적과 조합을 정리합니다.

hash:            input -> fixed-size digest, 복호화 목적 아님
symmetric crypto: same secret key로 암호화·복호화
public-key encryption: receiver public key로 암호화, private key로 복호화
digital signature: signer private key로 서명, public key로 검증
key agreement: 양쪽 입력으로 공유 비밀을 합의

TLS와 HTTPS 연결 흐름

HTTPS에서 인증서 검증과 key agreement로 상대와 session key를 정한 뒤 HTTP 데이터를 보호하는 TLS 연결 흐름을 정리합니다.

TCP connection
-> ClientHello / ServerHello: version·cipher·key share 협상
-> certificate + signature: server identity 검증
-> shared secret에서 traffic keys 파생
-> Finished 검증
-> encrypted HTTP records

데이터베이스

관계형 Schema와 Key

관계형 데이터베이스의 table·row·column과 primary, candidate, foreign key가 데이터 식별과 관계를 만드는 방식을 정리합니다.

schema      -> table, type, constraint와 관계의 구조
candidate key -> row를 유일하게 식별할 수 있는 후보
primary key   -> 대표 식별자로 선택한 candidate key
foreign key   -> 다른 table의 key를 참조하는 무결성 규칙

데이터베이스 정규화 기준

반복 그룹과 부분·이행 종속을 줄여 update anomaly를 막는 1NF·2NF·3NF의 목적과 비정규화 경계를 정리합니다.

1NF: relation의 각 위치에 relation-valued 반복 그룹을 두지 않음
2NF: 모든 non-prime 속성이 모든 candidate key 전체에 완전 함수 종속
3NF: X -> A마다 X가 superkey이거나 A가 prime attribute

Database Index와 Seek·Scan

Index가 탐색 범위를 줄이는 방식과 index seek, index scan, table scan이 데이터 분포와 조회 범위에 따라 선택되는 이유를 정리합니다.

selective predicate + usable index -> index access candidate
large share of rows needed         -> full/sequential scan can be cheaper
PostgreSQL                          -> Index Scan, Index Only Scan, Bitmap Index Scan + Bitmap Heap Scan
SQL Server                          -> Index Seek, Index Scan

JOIN과 UNION 선택

행을 관계 조건으로 가로로 결합하는 JOIN과 compatible한 결과를 세로로 합치는 UNION·UNION ALL을 구분합니다.

Transaction과 ACID

여러 데이터 변경을 하나의 논리 작업으로 묶는 transaction과 atomicity, consistency, isolation, durability의 실제 책임을 정리합니다.

Atomicity   -> 전부 commit되거나 전부 rollback
Consistency -> 정의한 constraint와 invariant를 유효하게 유지
Isolation   -> 동시 transaction의 중간 상태 노출을 통제
Durability  -> commit된 결과를 장애 뒤에도 보존

Isolation Level과 Database Lock

동시 transaction의 read·write 충돌을 isolation level과 lock·MVCC가 어떻게 통제하며 retry가 필요한 이유를 정리합니다.

SQL 표준의 최소 보장:
READ UNCOMMITTED -> dirty read까지 허용 가능
READ COMMITTED   -> dirty read 방지, 반복 조회 변화 가능
REPEATABLE READ  -> non-repeatable read 방지, phantom은 허용 가능
SERIALIZABLE     -> 직렬 실행과 같은 결과, 충돌 시 abort/retry 가능

PostgreSQL 차이:
READ UNCOMMITTED = READ COMMITTED, REPEATABLE READ도 phantom을 허용하지 않음

SQL과 NoSQL 선택

관계형 SQL 데이터베이스와 key-value·document·wide-column·graph 계열을 데이터 모델, query, transaction과 확장 요구로 비교합니다.

relational SQL -> schema, joins, constraints, transactions가 중심
key-value      -> key로 빠른 조회와 단순 value
document       -> document 단위의 유연한 중첩 데이터
wide-column    -> partition key 중심의 대규모 분산 접근
graph          -> node와 edge traversal 중심

Partitioning과 Sharding 구분

큰 데이터를 partition key로 나누는 공통 원리와 한 database 내부 partitioning, 여러 node로 분산하는 sharding의 운영 차이를 정리합니다.

partitioning: 데이터를 key 기준의 부분으로 나누는 일반 개념
table partitioning: 한 database가 여러 physical partition을 하나의 table처럼 관리
sharding: 보통 horizontal partition을 여러 database node에 분산

SQL NULL과 Three-Valued Logic

SQL NULL이 0이나 빈 문자열이 아니라 알 수 없거나 적용되지 않는 상태를 나타내며 비교 결과가 UNKNOWN이 되는 규칙을 정리합니다.

value = NULL          -- TRUE가 아니라 UNKNOWN
value IS NULL         -- NULL 검사
value IS NOT NULL     -- non-NULL 검사
COALESCE(value, 0)    -- 첫 non-NULL 값 선택

Database Query Plan 읽기

Optimizer가 scan·join·sort·aggregate 노드를 조합하는 실행 계획을 예상 row, 실제 row, 반복 횟수와 비용 차이로 읽는 순서를 정리합니다.

1. 실제로 느린 query와 parameter를 확보
2. 가장 많은 time·rows·loops를 만든 node 확인
3. estimated rows와 actual rows 차이 확인
4. Seq/Index/Bitmap Scan과 Join 선택 이유 확인
5. index·통계·query를 바꾼 뒤 같은 조건으로 재측정

개발과 진단

Build Pipeline과 Artifact 구분

Compile·link뿐 아니라 code generation, asset processing, test, packaging을 묶는 build pipeline과 재현 가능한 artifact의 경계를 정리합니다.

source + dependency lock + toolchain + build config
-> generate / compile / link
-> test / asset processing
-> package
-> versioned artifact + symbols + manifest

Debugging을 재현부터 검증까지 진행하는 법

증상을 재현하고 관찰값을 확보한 뒤 가설 하나씩 좁혀 수정 전후를 같은 조건으로 검증하는 디버깅 흐름을 정리합니다.

증상과 기대값 기록
-> 최소 재현 조건 고정
-> log·breakpoint·trace로 실제 값 관찰
-> 경계를 절반씩 좁혀 가설 하나 선택
-> 실패를 재현하는 test 추가
-> 최소 수정
-> 같은 조건 + 회귀 test로 검증

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source code -> compiler / linker -> executable file -> operating-system loader -> process + virtual address space -> thread scheduled on a CPU -> instructions read and executed -> memory and device I/O

executable code -> read + execute read-only constants -> read global/static data -> process lifetime heap allocations -> allocator / runtime lifetime thread stack -> one stack per thread mapped regions -> files, libraries, reserved memory

application in user mode -> library / runtime API -> system-call boundary -> kernel validates request and permissions -> driver or kernel subsystem performs protected work -> result returns to user mode

interrupt -> 장치·timer처럼 현재 명령 바깥의 비동기 사건 exception -> 현재 명령 실행 중 fault·trap·abort 같은 동기 사건 system call -> user code가 OS 서비스를 의도적으로 요청하는 제어 전환

concurrency: 여러 작업의 진행을 겹쳐 관리하는 구조 parallelism: 여러 작업이 같은 시간대에 실제로 실행됨 asynchrony: 완료를 기다리는 동안 실행 흐름을 막지 않는 표현

synchronous: 호출 흐름이 결과 완료를 직접 이어서 받음 asynchronous: 완료가 future, callback, event 등으로 나중에 전달됨 blocking: 호출 thread가 진행하지 못하고 기다림 non-blocking: 즉시 반환하며 현재 가능한 결과만 알림

IP address -> packet의 출발지·목적지 interface 주소 prefix / CIDR -> 어느 주소 범위가 같은 network인지 port -> host 안의 어느 TCP/UDP endpoint인지 socket address -> protocol + IP + port route table -> 실제 출력 interface와 next hop 결정

create completion port -> associate socket or file handle with a completion key -> issue overlapped I/O with buffer + OVERLAPPED state -> kernel completes operation -> completion packet enters port queue -> worker dequeues bytes, key, OVERLAPPED pointer -> process result and issue next operation

hash: input -> fixed-size digest, 복호화 목적 아님 symmetric crypto: same secret key로 암호화·복호화 public-key encryption: receiver public key로 암호화, private key로 복호화 digital signature: signer private key로 서명, public key로 검증 key agreement: 양쪽 입력으로 공유 비밀을 합의

TCP connection -> ClientHello / ServerHello: version·cipher·key share 협상 -> certificate + signature: server identity 검증 -> shared secret에서 traffic keys 파생 -> Finished 검증 -> encrypted HTTP records

schema -> table, type, constraint와 관계의 구조 candidate key -> row를 유일하게 식별할 수 있는 후보 primary key -> 대표 식별자로 선택한 candidate key foreign key -> 다른 table의 key를 참조하는 무결성 규칙

1NF: relation의 각 위치에 relation-valued 반복 그룹을 두지 않음 2NF: 모든 non-prime 속성이 모든 candidate key 전체에 완전 함수 종속 3NF: X -> A마다 X가 superkey이거나 A가 prime attribute

selective predicate + usable index -> index access candidate large share of rows needed -> full/sequential scan can be cheaper PostgreSQL -> Index Scan, Index Only Scan, Bitmap Index Scan + Bitmap Heap Scan SQL Server -> Index Seek, Index Scan

Atomicity -> 전부 commit되거나 전부 rollback Consistency -> 정의한 constraint와 invariant를 유효하게 유지 Isolation -> 동시 transaction의 중간 상태 노출을 통제 Durability -> commit된 결과를 장애 뒤에도 보존

SQL 표준의 최소 보장: READ UNCOMMITTED -> dirty read까지 허용 가능 READ COMMITTED -> dirty read 방지, 반복 조회 변화 가능 REPEATABLE READ -> non-repeatable read 방지, phantom은 허용 가능 SERIALIZABLE -> 직렬 실행과 같은 결과, 충돌 시 abort/retry 가능 PostgreSQL 차이: READ UNCOMMITTED = READ COMMITTED, REPEATABLE READ도 phantom을 허용하지 않음

relational SQL -> schema, joins, constraints, transactions가 중심 key-value -> key로 빠른 조회와 단순 value document -> document 단위의 유연한 중첩 데이터 wide-column -> partition key 중심의 대규모 분산 접근 graph -> node와 edge traversal 중심

partitioning: 데이터를 key 기준의 부분으로 나누는 일반 개념 table partitioning: 한 database가 여러 physical partition을 하나의 table처럼 관리 sharding: 보통 horizontal partition을 여러 database node에 분산

1. 실제로 느린 query와 parameter를 확보 2. 가장 많은 time·rows·loops를 만든 node 확인 3. estimated rows와 actual rows 차이 확인 4. Seq/Index/Bitmap Scan과 Join 선택 이유 확인 5. index·통계·query를 바꾼 뒤 같은 조건으로 재측정

증상과 기대값 기록 -> 최소 재현 조건 고정 -> log·breakpoint·trace로 실제 값 관찰 -> 경계를 절반씩 좁혀 가설 하나 선택 -> 실패를 재현하는 test 추가 -> 최소 수정 -> 같은 조건 + 회귀 test로 검증