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[OS] 운영체제 구조

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컴퓨터 시스템의 구조
컴퓨터 시스템의 구조
By Jangan Lee 읽는 시간  9분

1. 운영체제의 구조

운영체제는 크게 나누어 2(+1) 구조로 볼 수 있다.

운영체제의 구조

1.1. 커널(Kernel)

  • 운영체제의 핵심
  • 좁은 의미의 OS
  • OS 핵심 기능(프로세스 / 메모리 / 저장장치 관리 등)의 집합
  • 응용 SW는 HW 자원 이용하기 위해 커널에 요청해야 함

1.2. 인터페이스(Interface)

  • 커널에 명령 전달, 실행 결과 알려 줌
  • API, System Call, Shell, GUI

1.3. (+ Device driver)

  • 운영체제의 한 부분일 수도, 아닐 수도 있음 (정의마다 다름)
  • 커널과 하드웨어를 연결시킴

2. 커널과 시스템 콜

커널이 하는 일은 곧 운영체제가 하는 일이다.

외부로 직접 노출이 되는 것을 방지하기 위해, User-mode와 Kernel-mode를 분리하였다. 모드가 스위칭될 때 CPU 차원에서 작동모드가 완전히 바뀐다.

커널과 시스템 콜

2.1. System Call(syscall)

시스템 콜(syscall)이란 커널이 자신의 기능을 함수 형태로 제공해주는 것이다. 커널을 보호하기 위해 아래 작업을 수행한다.

  • 입력값의 검증
  • 권한의 확인
  • 작업 순서 제어

API를 통해 만들어진 프로그램들은 최종적으로 이 syscall을 호출하는 형태가 된다.

시스템 콜

시스템 콜 2

3. 눈으로 보는 syscall

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#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello Syscall!!\n");
    return 0;
}

위와 같은 sysc.c 파일을 생성하고 리눅스 환경에서 아래 명령어를 실행한다.

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gcc sysc.c
strace -o sysc.log ./a.out
cat sysc.log

출력되는 로그를 살펴보면, 최종 출력(printf)은 syscall인 write 함수에 의해 수행됨을 알 수 있다. 파이썬이라 할지라도, 콘솔에 출력하기 위한 최종 방법은 write 함수이다. 다만 strace 로그가 훨씬 길다(= 파이썬이 느린 이유)

strace -T option 을 이용해 syscall별 소요 시간을 출력할 수 있다.

4. 시스템콜의 호출: Interface

  • OS가 제공하는 Library 또는 API(Application Programming Interface)
    • xNIX: POSIX
    • Windows: Win32 API
  • 대부분의 xNIC 앱들은 libc(glibc) 링킹해서 사용
    • Windows: kernel32.dll (redirect to → ntdll.dll)
  • 확인: ldd 명령어
    • libc.so.6: 표준 C 라이브러리
    • a.out, echo, vim, 심지어 python까지 모두 libc 사용
      • 내부적으론 표준 C 라이브러리 사용한다는 의미이다.

4.1. 시스템콜의 Assembly 코드 확인

  • objdump 명령어를 이용함
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objdump -M intel --disassemble=__write /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
  • -M intel: Intel syntax로 출력
  • --disassemble=__write: write 함수만 출력

시스템콜은 일반 함수와는 다르게 언어에서 직접 호출이 불가능하며, 오직 CPU에 의해서만 호출됨

  • eax에 호출하고자 하는 syscall 번호 입력(OS 내부에 indexing 되어있음)
  • syscall 명령 실행 → 해당 syscall 호출함과 동시에 CPU는 kernel 모드로 전환된다.

syscall_assembly

  • linux/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 를 열어보면 아래 그림과 같이 syscall의 indexing을 확인할 수 있다.

syscalls

4.2. 동적 링킹, 정적 링킹

printf()의 내부를 살펴보자.

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printf(...) {
    ...
    write(); //이처럼 syscall을 포함하고 있다.
             //그러면 이 함수의 정의는 어디에 있는 것인가?
    ...
}

write() 함수의 정의는 과연 어디에 있을까? 바로 리눅스에서는 libc, 윈도우에서는 dll 파일 내에 들어 있다. 왜 프로그램에 없고 이렇게 따로 빼놓았을까?

write() 함수를 매번 프로그램에 포함하는 것보다. 미리 만들어(컴파일) 둔 뒤 필요할 때마다 호출하는 것이 공간적으로 더 효율적일 것이다. 이때 호출을 위해서는 프로그램과 libc(dll)을 연결해야 하는데 이것을 링킹(linking)이라 한다.

  • dynamic linking: 소스코드와 dll을 연결하는 것
    • 멀리 갖다 와야되므로 시간적으로 손해
  • static linking: dll의 내용을 프로그램 내에 완전히 포함하는 것

5. 디바이스 드라이버

커널과 하드웨어 그 중간 어딘가에 위치한다.

  • API → User-Level에 대한 인터페이스
  • 디바이스 드라이버 → 하드웨어에 대한 인터페이스
  • 하드웨어와 직접 연결되며, 신호에 대한 약속을 정하는 것
    • OS가 그 기준을 정의

디바이스 드라이버

6. 커널의 형태

  • 어떻게 설계하느냐에 따라 모양이 조금씩 달라짐
  • 현대에서는 단일형 커널과 계층형 커널을 하이브리드로 사용하기도 한다.
  • 종류: 단일형 커널, 계층형 커널, 마이크로 커널

6.1. 단일형 커널

  • 초창기 구조
  • 커널의 모든 기능이 한 덩어리로 되어 있음
    • 마치 main 함수에 모든 코드가 들어있는 느낌

단일형 커널

6.2. 계층형 커널

  • 대부분의 구조
  • 비슷한 기능을 가진 모듈별로 계층을 만듦 → Kernel stack

계층형 커널

6.3. 마이크로 커널

  • 커널은 아주 기본적 기능만 제공
  • 대부분의 기능은 User-level로 이식, 프로세스간 통신으로 시스템 운영

마이크로 커널

7. 가상머신

가상머신

OS마다 제공하는 API/syscall의 형태가 다르기 때문에, OS가 다르면 프로그램 호환이 안 되는 문제가 발생했다. 이런 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 가상머신으로, OS와 응용 프로그램 사이에서 작동한다.

  • OS간 이식성 증가 → 하나의 프로그램, 다양한 환경 지원
  • 일종의 API 호환 레이어
  • 예시
    • Java JVM
    • .NET Framework
    • Python
    • LLVM 등

가상머신은 가상화(Virtualization)와 다른 듯 하지만, 같은 개념이다.

무엇인가를 “에뮬레이션” 하는 것이라면 어떤 SW이든 가상머신이라 할 수 있다.

  • 에뮬레이션: 대상이 되는 sys를 다른 sys로 구현/재구현한 것
  • 시뮬레이션: 대상이 되는 sys를 추상화한 것(Output만 모방)
  • 공통점: 실제 HW를 사용할 필요 없이 작업 처리 환경 제공

Virtualization의 가상머신은 컴퓨터 HW 시스템을 SW로 구현한 것이고, 여기서의 가상머신은 특정 플랫폼의 API 시스템을 SW로 구현한 것이라는 차이점이 있을 뿐이다.

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