[Chapter 2]
I. 운영체제가 제공하는 서비스
A. 종류
1. 파일시스템
2. I/O 수행
3. 하드웨어 리소스 할당: CPU자원을 효율적이고 공평하게 사용하도록 스케줄링 4. 유저 인터페이스: CLI는 텍스트 기반으로 쉘에서 명령을 내릴수 있도록 한 것. 깜빡거리는 것을 프롬프트라고 하며, 쉘이라고 이름 붙은 이유는 사용자가 세부적인 동작을 알 필요 없도록 껍데기로 감싸서 abstraction했다는 뜻이다. Bourne Shell, Bash 가 대표적이다. Bash는 born again shell의 약자이다.
GUI(Graphic User Interface)는 그래픽 UI를 통해 더 쉽게 사용할 수 있게 한 것. Mac OS X, 아 이폰 터치스크린 인터페이스 등.
5. Communication: 프로세스 사이는 격리되어있고 직접적으로 데이터를 주고받을 수 없다. 서로 데이터를 주고받으려면 운영체제의 허락을 받아야 한다.
IPC(interprocess communication)라고 부른다.
6. Protection 및 보안
7. 계정
8. 프로그램 실행 등
B. 시스템 프로그램
1. 정의: 프로그램 개발과 실행을 편하게 해주는 개발 환경. 시스템 유틸리티라고도 한다. 2. 프로그래밍 언어 지원, 로드 및 실행 프로그램
● 컴파일러: 광의의 컴파일러는 전처리기와 translator로 이루어져있다. #include, #define 등 의 전처리 지시문을 통해서 코드가 있는걸로 가정을 하고 컴파일할 수 있도록 해준다. 실제 코드는 라이브러리에 존재한다. 소스코드를 컴파일하면 목적코드가 생성된다.
리눅스는 gcc가 기본으로 탑재되어있으나 윈도우는 별도로 다운로드받아야한다. ● 링커: 컴파일이 끝나면 목적 파일이 소스코드 갯수만큼 나오는데 목적파일들을 묶어주는 것이 링커이다. 링킹을 하는 방식은 Static Linking과 Dynamic Linking으로 나뉜다. 일반적으로 Dynamic Linking을 많이 쓴다.
Dynamic Linking은 예를 들어 cout을 하는 코드가 있으면 해당 기능이 있는 라이브러리 로 jump해서 수행하고 돌아오는 방식이다. Static Linking의 경우 코드 안에 cout코드를 다 복사 붙여넣기 한다. 결과적으로 바이너리 파일의 사이즈가 커진다.
Static Linking을 많이 사용하는 분야는 임베디드이다. 공용 라이브러리의 사이즈가 커서 사용하는 부분만 복사 붙여넣기 한 다음 바이너리로 만드는것이다.
공용 라이브러리는 윈도우에서는 .dll(dynamically linked library)이고 리눅스에서는 .sa 나 .so파일이다.
● 로더: 실행파일 실행시켰을때 디스크에서 메모리로 올려주는 로딩을 수행한다 3. 파일 변경 프로그램: window notepad, 리눅스 vi 등의 텍스트 에디터.
4. 통신: email 등의 통신 관련 서비스 제공
5. 상태 정보: 시스템 날짜, 사용가능한 메모리, 디스크 공간 등의 시스템 정보 제공 6. 파일 관리: ls, cd, rm ,mv 등의 명령어도 프로그램으로 구현되어 터미널에서 파일을 관리할 수 있도록 해주는 시스템 프로그램이다.
C. System Call 서비스
1. 순서: Dual mode operator로 구현되어 있으며 user mode와 kernel mode로 나뉜다. user mode에서 read()와 같은 시스템 콜을 호출해서 trap이 걸리면 kernel mode로 변경되어 프로세스 상태 저장하고 trap handler가 동작한다. trap handler가 벡터 테어블에서 read()의 핸 들러를 찾아서 커널에서 수행 후 프로세스에 결과를 돌려주고 user mode로 돌아감.
2. 시스템 콜은 함수 형태로 구현이 되어있고 코드의 주소값을 알아야 해당하는 함수로 점프해 서 수행할 수 있다. 프로세스는 함수들의 주소를 벡터 테이블로 관리한다. 시스템 콜 테이블 이라고 한다. 시스템 콜의 input parameter는 레지스터를 통해서 넘겨준다.
예를 들어 printf()같은 함수를 수행하면 printf()함수는 stdio 라이브러리에 구현되어있고, printf()함수의 내부에는 write() 시스템 콜이 있다.
시스템 콜이 호출되면 인터럽트가 발생하고 커널이 cpu에 올라온다 (kernel mode가 된다). 트랩 핸들러는 레지스터에서 인덱스를 찾아서 시스템 콜 테이블에서 인덱스의 값(주소)이 가 리키는 시스템 함수를 실행한다. 작업이 끝나면 유저모드로 되돌아감.
이런 과정이 내부에서 시스템으로 구현이 되어있는것이고, 우리가 직접 시스템콜을 호출하는 경우는 어플리케이션 개발 레벨에서는 거의 없다.
3. 시스템 콜 standard api를 보면 상세하게 시스템 콜에대해 파악할수 있다. read()는 파라미터 중 하나로 fd를 받는데, 파일디스크립터라는 뜻이다.
파일 디스크립터는 프로세스에서 다른 파일을 정수값으로 매치해서 관리하는 테이블이다. 리눅스에 파일 디스크립터 0,1,2번은 지정이 되어있는데, 0번은 표준 입력(stdin), 1번은 표준 출력(stdout), 2번은 표준 에러(stderr)이다. 유닉스 운영체제 시스템에서는 대부분의 요소가 파 일처럼 취급된다. 디렉토리, 하드웨어 장치 등도 특수한 종류의 파일로 취급된다. 키보드 같은 입력장치는 /dev 디렉토리에 있는 특수한 파일로 취급된다. 키보드를 타이핑할 시 /dev디렉토 리에 있는 파일에 데이터가 쓰여진다.
4. 유닉스 계열과 윈도우의 시스템 콜은 형태가 다르다. 유닉스 계열의 운영체제들은 POSIX 표 준에 따라서 만들어지기 때문에 시스템콜의 형태가 같다. 윈도우는 스레드의 개념이 나오고 난 후 생긴 운영체제라서 시스템 콜이 다르고 호환성 문제가 있다.
5. 유닉스 시스템 콜 예시
● Process Control: fork(), exit(), wait()
● 파일 조작: open(), read(), write(), close()
● 디바이스 조작, Protection 등.
II. OS구조
A. Monolithic 커널
1. 정의: 운영체제가 가져야하는 모든 기능을 한 덩어리로 구현한 커널.
2. 모놀리식 커널은 아주 복잡한 구조가 한 덩어리로 되어있기 때문에 소프트웨어 엔지니어링 이 슈가 발생할 수 있다. (유지보수가 어렵다). 각각의 기능들 간의 의존성이 높기 때문에 하나를 고치면 다른 여러개를 더 고쳐야하는 상황이 발생한다.
또한 모놀리식 커널은 이미지의 크기가 커서 하드웨어에 제약이 있다.
하지만 시스템콜이 발생할 경우 커널에서 한번에 처리가 가능하기 때문에 오버헤드가 적다.
B. 마이크로커널
1. 정의: 필수적으로 필요한 기능만 커널형태로 구현하고 그 이외의 기능들은 어플리케션 형태로 만들어서 붙인다. 필수적인 기능만 커널에 넣고 나머지는 다른 어플리케이션보다 높은 권한을 가진 어플리케이션으로 동작하게 만드는것.
마이크로커널이라 이름붙은 이유는 최소한의 필수기능만 붙여서 만든 작은 커널이기 때문.
2. 파일 시스템, 디바이스 드라이버 등을 유저 모드에서 동작하도록 함으로써 커널에 들어가는 기능을 최소화한다.
3. 마이크로 커널은 오버헤드가 많이 발생하는 문제가 있다.
예를 들면 어플리케이션이 파일 IO를 요청하면 커널 모드로 가서 파일 시스템에 메세지를 전 달하고 파일 시스템의 메세지를 커널모드로 다시 돌아가서 디바이스에 요청하고, 다시 커널모 드로 돌아갔다가 파일 시스템에 메세지를 전해주고.. 복잡한 과정을 거친다.
모놀리식 커널에서는 커널모드에 들어가서 한번에 해결될 문제들을 여러번에 걸쳐서 해결하게 되고, 또한 어플리케이션 간 메세지를 주고받기 위해서 커널이 필요하기 때문에 시스템 콜이 더 많아져서 오버헤드가 많이 발생한다.
C. 레이어드 어프로치
1. 레이어 간의 dependency가 없도록 레이어를 두고 운영체제를 만드는 개념이다. 하지만 개념 만 존재하고 실제로 이것에 입각해서 만들어진 운영체제는 존재하지 않는다.
D. 모듈러 어프로치
1. 커널 일부분을 모듈로 만들고 코어로 연결하는 형태. 운영체제 설치하는 과정에서 필요한 이 미지를 모아서 모놀리식 형태로(하나로 이루어진 커널로) 설치하는것
2. 리눅스와 솔라리스가 모듈러 어프로치 방식으로 구현되어있다. 모듈은 상호간 의존성이 없거 나 낮기 때문에 유지보수가 편하다. 또한 필요한것만 붙여서 커널을 만들기 때문에 이미지의 크기도 작아지기 때문에 부팅과정에의 로딩도 빨라지고 메모리 용량도 적게 차지한다.
3. LKM: 각각의 모듈들을 LKM이라고 함. 적재가능 커널 모듈. 실행중인 커널을 확장하는 코드를 포함하는 목적 파일이다. 새로운 하드웨어 (디바이스 드라이버) 지원이나 시스템 콜 추가하기 위해서 로드해서 커널 기능 확장한다.
E. 하이브리드 어프로치
1. MacOS X, iOS,안드로이드 등이 해당한다. 안드로이드는 운영체제라기보다 플랫폼 혹은 프레임 워크이다. 리눅스 커널을 기반으로 동작하면서 그 위에 여러가지 시스템 프로그램을 포함한 형태이다. 임베디드 리눅스에 서비스를 올려서 만든 플랫폼.