[운영체제]🦖공룡책🦕2장 - 운영체제 구조(2)

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[🦖OS🦕]2장. 운영체제 구조(1)

지난 포스팅에 이어 마저 공부해보자.

• 운영체제에서 제공하는 서비스 학습
• 사용자 인터페이스 종류에 대해 학습
• 서비스를 제공하기 위한 시스템 콜의 종류에 대해 학습
• 링커와 로더에 대해 학습
• 운영체제 설계를 위한 모놀리식, 계층화, 마이크로 커널, 모듈 및 하이브리드 전략에 대해 학습
• 운영체제 성능을 모니터링 하기 위한 도구 학습

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시스템 콜(System Call)

시스템 콜은 커널과 사용자 사이의 인터페이스이다. 아주 간단한 작업, 예를 들어 콘솔에 hello를 출력하는 작업조차도 시스템 콜을 거쳐서 동작하게 된다. 다음은 파일을 복사하는 cp 명령어 하나에서 발생하는 시스템 콜들이다.

위의 그림을 보면 알듯이 간단한 테스크 하나에도 수많은 시스템콜이 발생하게 된다. 하지만 사용자 대부분은 이러한 상세 로직을 알지 못하며 알필요도 별로 없다. 그렇다면 개발자들은 어떨까. 구현을 위해선 발생하는 모든 로직에 대해서 파악하고 있는것이 물론 좋겠지만, 모든 시스템 콜을 직접 구현하기란 매우 어렵고 시간 또한 많이 소요될 것이다. 이를 위해 존재하는 것이 응용 프로그래밍 인터페이스 즉, API이다. API는 개발자가 사용 가능한 함수의 집합으로 OS가 제공하는 라이브러리를 통해 사용가능하다. API를 구성하는 함수들이 개발자를 대신해서 시스템 콜을 호출하게 된다. 그렇기 때문에 호출자는 단지 API를 준수하고 시스템 콜의 결과로서 운영체제가 무엇을 할 것인지만 이해하면 된다.

 

운영체제 인터페이스에 대한 대부분의 자세한 내용은 API에 의해 프로그래머로부터 숨겨지고 RTE에 의해 관리된게 된다. RTE(Run-Time Environment)는 특정 프로그래밍 언어로 쓰여진 앱을 수행하기 위한 소프트웨어 집합이다. RTE는 OS가 제공하는 시스템 콜에 대한 연결고리 역할을 하는 시스템 콜 인터페이스를 제공한다. 바로 이 시스템 콜 인터페이스가 API 함수의 호출을 가로채어 OS의 시스템 콜을 호출해주는 아이이다.

 

시스템 콜은 사용을 위해 종종 매개변수를 요구하는 경우가 많다. 이를 위해 OS에 매개변수를 전달해야 하는데 주된 방법은 다음 3가지 이다.

• 매개변수를 레지스터 내에 전달 (레지스터 공간보다 더 많은 매개변수를 전달해야 할 경우엔 사용 무리)
• 매개변수를 메모리 내의 블록이나 테이블에 저장한 후, 해당 메모리 주소를 레지스터 내에 전달
• 프로그램이 stack에 넣으면 OS가 꺼내어 사용

 

이러한 시스템 콜은 여섯 가지의 중요한 범주로 나눌 수 있으며 그 종류는 다음과 같다. 

• 프로세스 제어(Process Control)
  • 실행 중인 프로그램은 정상적으로(end()) 또는 비정상적으로(abort()) 멈출 수 있어야 한다.
  • 활성화 상태인 프로세스가 다른 프로그램을 적재(load())하고 실행(execute()) 할 수 있어야 한다. 
  • 새로운 프로세스나 job을 생성, 제어(우선순위 부여 등), 재설정, 종료와 같은 행위들로 그들을 제어 할 수 있어야 한다.
  • 프로세스들은 이벤트 발생(wait_event()) 혹은 일정 시간(wait_time())을 기다릴 수 있어야 한다.
  • 둘 이상의 프로세스가 공유하는 메모리는 일관성 유지를 위해 데이터에 잠금을 걸 수 있어야 한다.
• 파일 조작(File Manipulation)
  • 파일을 생성(create())혹은 삭제(delete()) 할 수 있어야 한다.
  • 파일을 열고(open()) 닫을 수 (close()) 있어야 한다.
  • 파일을 읽고(read()), 쓰고(write()), 되감을 수(rewind()) 있어야 한다.
  • 파일의 속성을 획득하고 이를 설정할 수 있어야 한다.
• 장치 관리(Device Management)
  • 다수의 사용자가 접근하는 장치의 경우, 독점적인 사용을 보장받기 위해 장치를 요구하고 또 방출할 수 있어야 한다.
  • 파일과 마찬가지로 읽기, 쓰기, 위치 변경 등이 가능해야 하며, 장치의 속성을 획득하고 변경할 수 있어야 한다.
  • 장치는 논리적으로 부착되거나 분리될 수 있어야 한다.
• 정보 유지(Information Maintenance)
  • 프로그램의 time profile을 제공하여 프로그램이 특정 위치, 혹은 위치의 집합에서 수행한 시간의 양을 나타내야 한다.
  • OS에서 운영되고 있는  모든 프로세스에 대한 정보를 획득하고 설정할 수 있어야 한다.
• 통신(Communication)
  • 메시지 전달 모델 : 통신을 원하는 프로세스가 정보 교환을 위해 메시지를 주고 받는 것. 소량의 정보 전달에 유용하며 충돌 가능성이 낮은 편이다.
  • 공유 메모리 모델 : 정보를 원하는 프로세스의 메모리 영역에 접근하여 정보를 얻는 것. 빠른 속도로 정보 공유가 가능하지만 충돌 가능성이 높은 편이다.
• 보호(Protection)
  • 컴퓨터 시스템이 제공하는 자원에 대해 접근을 제한하는 기법을 가져야 한다.

 

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링커와 로더(Linkers and Loaders)

일반적으로 프로그램은 디스크에 이진 실행 파일(ex, a.out 혹은 b.exe)로 존재한다. CPU에서 실행하려면 프로그램을 메모리로 가져와 프로세스 형태로 배치되어야 한다. 이를 위한 일련의 절차를 링커와 로더를 통해 설명하고자 한다.

1. 소스 파일을 재배치 가능 오브젝트 파일로 컴파일 (컴파일 단계)
2. 링커가 재배치 가능 오브젝트 파일을 하나의 이진 실행 파일로 결합 (링킹 단계)
3. 로더는 이진 실행 파일을 메모리에 적재 (로딩 단계)

위의 과정에서 실행에 필요한 모든 파일을 한번에 링킹하고 로딩하면 꽤나 많은 시간을 소모하게 될 것이다. 이를 위해 존재하는 것이 바로 DLL(Dynamically linked library)이다. DLL을 사용하면 라이브러리가 동적으로 링크되어서 프로그램 실행 도중에 필요에 따라 적재되게 된다. 이를 통해 메모리 사용을 크게 절약할 수 있다.

 

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운영체제 구조(Operating-System Structures)

• 모놀리식 구조
  • 커널의 모든 기능을 단일 주소 공간에서 실행되는 단일 정적 이진 파일에 넣는 것
  • 운영체제를 설계하는 가장 간단하고 일반적인 기술
  • 시스템이 서로 밀접하게 결합되어 있음
  • 구조가 단순하고 속도가 빠르지만 구현과 확장이 어려움

 

• 계층적 접근 구조
  • 기능이 특정 기능 및 한정된 기능을 가진 개별적인 작은 구성요소로 나뉘는 구조
  • 각각의 요소들이 모여 커널을 구성하게 됨
  • 시스템들이 느슨하게 결합되어 있음
  • OS계층은 데이터와 연산으로 구성된 추상된 객체의 구현임
  • 각각의 층은 상위층에서 호출할 수 있는 루틴의 집합으로 구성됨
  • 추상화와 캡슐화가 잘되지만 전체적인 성능저하가 발생하며 각각의 층을 정의하고 분리하는 기준이 모호하다.

 

• 마이크로커널 구조
  • 중요한 요소로만 커널을 구성하고, 그 외의 것들은 별도의 주소 공간에 존재하는 사용자 수준 프로그램으로 구현하는 방식
  • 통신 기능 외에 최소한의 프로세스와 메모리 관리 기능을 제공
  • 서비스간의 통신은 메시지 전달 방식으로 이루어짐
  • 확장이 쉽고 커널의 보안성이 높은 편이지만, 통신을 위한 과정이 추가되고 서비스가 늘어날수록 성능 저하가 발생한다.

 

• 적재 가능 커널 모듈 구조
  • 커널은 핵심적인 구성요소의 집합을 가지고 있고, 실행 도중에 부가적인 서비스들을 모듈을 통하여 링크하는 방식
  • 통신에 메시지 전달 방식을 사용하지 않기 때문에 성능적으로 좀 더 우수함

 

• 하이브리드 시스템
  • 다양한 구조를 결합하여 성능, 보안 및 편리성 문제를 해결하려는 혼용 구조