운영체제(Operating System) 핵심 개념 정리 (2)

30 Mar 2018

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운영체제(Operating System, OS)란 무엇인가

자원관리자(Resource Manager)라고 할 수 있다. 물리적인 자원(CPU, DRAM, Disk, Flash, Network)를 가상화 시켜서 더 효율적으로 자원을 관리할 수 있도록 해주는 시스템을 말한다.

운영체제와 커널(Kernel)의 용어에 대해서 헷갈릴 수 있는데, 커널은 항상 메모리에 상주해서 자원을 관리하는 것을 의미하고, 운영체제는 항상 메모리에 상주하지는 않는다. Linux 환경에서는 OS가 항상 메모리에 상주하기 때문에, Linux에서는 운영체제와 커널이 같다고 생각하면 된다.

운영체제의 역할

프로그램을 실행하기 쉽게 만들어 준다.
시스템을 올바르고 효율적이게 작동하도록 관리해준다.

운영체제의 추상화(Abstraction, Virtualization)

운영체제의 추상화는 물리적인 자원(Physical resources)들을 강력하고, 사용하기 쉽게 만들어 준다.
예를 들면, 가상 메모리를 사용해서 실제 메모리가 감당할 수 있는 양 보다 더 많은 크기의 프로그램을 메모리에 올릴 수 있도록 해주거나, 멀티테스킹, 동시성(concurrency) 기법을 사용해서 많은 프로세스들이 동시에 CPU를 사용할 수 있도록 해주는 역할 등이 있다.
이 추상화된 운영체제의 기능들을, 운영체제에서는 시스템 콜(System Call API) 을 제공해 사용자가 쉽게 사용할 수 있도록 도와준다.

시스템 콜(System Call)

운영체제에는 유저모드, 커널모드 두 가지 모드가 존재하는데, 유저 모드에서 시스템 콜이 호출이 되면, 시스템 콜 인터페이스를 통해 커널 모드로 전환이 된다. 이를 모드 스위치(Mode Switch) 라 하고, 운영체제는 커널모드에서 시스템 콜을 실행 시킨 후 다시 유저 모드로 돌아가게 된다.

각 분야 별 시스템 콜 예시는 다음과 같다.

프로세스 제어: fork(), exit(), wait(),
파일 관리: open(), read(), write(), close()
장치 관리: ioctl(), read(), write()
정보 유지: getpid(), alarm(), sleep()
보안(Protection): chmod(),umask(), chown()

CPU 가상화(Virtualizing CPU)

// cpu.c 파일
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h>
#include <assert.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 2) {
        fprintf(stderr, "usage: cpu <string>\n"); exit(1);
    }
    char *str = argv[1];
    while (1) {
        sleep(1);
        printf("%s\n", str);
    }
    return 0;
}

위와 같은 프로그램을 CPU가 하나인 환경에서 쉘로 아래와 같이 실행해보면, 결과는 다음과 같다.

$ gcc -o cpu cpu.c -Wall
$ ./cpu A & ; ./cpu B & ; ./cpu C & ; ./cpu D &
[1] 7453
[2] 7354
[3] 7355
[4] 7356
A
B
D
C
A
B
...

쉘에서 &은 프로그램을 background에서 돌리겠다는 뜻

실제로 CPU가 1개임에도 불구하고, 마치 여러개의 프로그램이 동시에 돌아가고 있는 듯한 착각을 불러일으킨다. 이를 CPU 가상화라 함.

메모리 가상화(Virtualizing Memory)

서로 다른 프로그램 두 개를 동시에 실행한 후 프로세스의 id를 주소를 출력해보면, 메모리의 주소가 똑같이 출력되는 경우가 있다. 이는 메모리 가상화를 이용했기 때문인데, 실제 물리적 메모리 주소는 다르지만 가상화 된 메모리 주소는 같을 수 있기 때문에 이렇게 출력되는 것이다.

메모리와 관련된 용어 정리  
- TLB(Translation Lookaside Buffer): 가상 메모리 주소를 물리적인 메모리 주소로 변환할때 사용되는 캐시.
- page, segmentation: 메모리 가상화를 구현하는 방법
- NUMA(Non-Uniform Memory Access): 멀티 프로세서 시스템에서 사용되는 메모리 설계 방법 중 하나

동시성 문제( Concurrency )

같은 프로그램이나 시스템에서 동시에 뭔가를 하려 했을 때 생기는 문제들을 말한다.
예를 들어 서로 다른 두 개의 스레드가 같은 자원을 동시에 접근하려 했을 때(이를 race condition이라 한다), 하나의 스레드만 접근이 되는 경우가 있다. 이를 원자성(atomicity)라고 하는데, 이 원자성을 유지하기 위해 lock이 사용된다.

lock : 자원을 접근하기 전에 lock을 걸어놓고, 끝나면 unlock을 수행한다.

지속성(Persistence)

유저는 데이터를 영구적으로 유지하길 원한다. DRAM은 휘발성 이므로, 저장소(Disk,SSD 같은)에 데이터를 작성해 영구적으로 데이터를 유지하는 것을 지속성(Persistence)라고 한다.

운영체제 설계 목표

추상화(Abstraction): logic gate의 이해없이 프로그램을 만들 수 있도록 해주는 것
수행 능력(Performance): OS의 오버헤드를 최소화 시키는 것.
보안(Protection): 다른 프로세스가 또 다른 프로세스로 부터 독립되어 있어야 한다.
신뢰성(Reliablity)
그 외: Policy와 mechanism 분리

1. policy: 다음에 프로세스 수행을 어떻게 할거냐? 같은 것들, 무엇을 수행할 것인가?
2. mechanism: queue를 사용할거다, stack을 사용할거다 같은 것들, 어떻게 수행할 것인가?