[CS지식/ OS] 커널과 시스템 콜

아래 내용은 이 책을 공부하고 정리한 내용입니다.

시스템도 일종의 프로그램이다.

• 운영체제도 하나의 프로그램이기 때문에 프로그램이 실행되기 위해서는 반드시 메모리에 적재되어야 한다.
• 운영체제는 매우 특별한 프로그램이므로 메모리 내의 커널 영역이라는 공간에 따로 적재되어 실행된다.
• 반대로 사용자 응용 프로그램은 사용자 영역이라는 공간에 적재된다.
• 운영체제의 기능을 사용하기 위해서는 커널 영역에 적제된 운영체제 코드를 실행해야 한다.

시스템 콜

• 운영체제의 서비스를 제공받기 위한 수단(인터페이스)
• 호출 가능한 함수의 형태
• 웹 브라우저, 게임과 같은 응용 프로그램들은 CPU, 메모리에 직접 접근할 수 없다.
  • 특정 자원에 접근하거나 조작하는 운영체제 코드를 실행해야 한다.
  • 운영체제가 자신의 코드를 실행한 응용 프로그램의 자원 접근 및 조작을 대신한다.
  • 말로는 어려우니 이미지를 통해 이해하는 것이 좋다.
• 시스템 콜의 종류와 개수는 다양하다.
  • fork : 새 자식 프로세스 생성
  • execve() : 프로세스 실행(메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어 씌움)
  • exit() : 프로세스 종료
  • waitpid() : 자식 프로세스가 종료할 때까지 대기

프로세스의 계층 구조

fork() 시스템 콜을 통해 계속해서 새로운 프로세스를 생성한다. 이때 새 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스, 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다.

시스템 콜이 호출되면 다음과 같은 작업이 수행된다.

소프트웨어 인터럽트

소프트웨어 인터럽트란 자원에 접근하는 입출력 명령어가 대표적이며, 이러한 명령어에 의해 발생하는 인터럽트를 말한다.
시스템 콜이 바로 이 소프트웨어 인터럽트의 일종이다. 위 그림을 다시 한번 순서로 풀어내면 다음과 같다.

1. 사용자 영역을 실행하는 과정에서 시스템 콜이 호출
2. CPU는 현재 수행 중인 작업을 백업
3. 커널 영역 내의 인터럽트를 처리하기 위한 코드를 실행
4. 다시 사용자 영역의 코드 실행을 재개

이때 위에서 말한 사용자 영역에서 커널 영역에 적재된 코드를 실행하는데 이 실행 모드를 커널 모드라고 한다.
커널 모드에서는 자원에 접근하는 (파일 입출력 등) 명령어를 비롯한 모든 명령어를 실행할 수 있다.
반대로 사용자 영역으로 돌아가서 다시 수행될 때는 사용자 모드라고 한다.
사용자 모드에서는 이러한 자원에 대한 접근이 불가하다.
이 두 가지 모드를 구분하여 실행하는 것을 이중모드라고 한다.

예시

응용 프로그램은 실행 과정에서 시스템 콜을 매우 빈번하게 호출한다.
만약 화면에 "hello world"라는 문자열을 출력하는 단순한 프로그램조차 실행 과정에서 600회 이상의 시스템 콜을 호출한다고 한다.
리눅스나 우분투에서 ls -al 등의 명령어 또한 프로그램이기 때문에 마찬가지로 많은 시스템 콜을 호출한다.

프로세스 생명 주기

운영체제마다 상태를 표현하는 방식은 조금씩 차이가 있지만, 대부분 생성, 준비, 실행, 대기, 종료가 있다.

생성 상태(new)

프로세스를 생성 준비 중인 상태, 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태
생성 상태를 거쳐 실행할 준비가 된 프로세스는 CPU의 할당을 대기한다.

준비 상태

자신의 차례가 올 때까지 준비 상태이며, CPU를 할당받으면 실행 상태가 된다.
준비 상태에서 실행 상태로 전환될 때 디스패치(dispatch)라고 한다.

실행 상태

CPU를 할당받아 실행 중인 상태, 일정 시간 동안 CPU를 사용할 수 있다.
할당된 시간을 모두 사용하면 타이머 인터럽트가 발생하며 다시 준비상태가 된다.

대기 상태

프로세스가 입출력 작업을 요청하거나 바로 확보하지 못하는 자원을 요청하는 등 실행이 당장 불가능한 조건에 놓이는 경우 대기상태에 진입한다.
대기 상태였던 프로세스는 입출력이 완료되는 등 실행 가능한 상태가 되면 다시 준비 상태가 되어 CPU할당을 기다린다.

종료 상태

프로세스가 종료된 상태
운영체제는 PCB와 프로세스가 사용한 메모리를 정리한다.

블로킹 입출력

프로세스가 실행 도중 입출력을 수행해야 하는 상황인 경우 프로세스는 대기 상태에 접어들고, 입출력 작업이 완료되면 준비 상태가 실행되어 작업을 재개한다.
이러한 유형 입/출력 방식을 블로킹 입출력이라고 한다.
예를 들어 네트워크에 메시지를 보내는 시스템 콜을 호출후 송신 작업 완료를 확인할 때 까지 대기 상태로 접어드는 경우 이다.

논블로킹 입출력

입출력 장치에게 입출력을 맡긴 뒤 곧바로 이어질 명령을 실행한다.
논 블로킹의 경우 네트워크에 메세지를 보낸 후 곧바로 다음 명령을 수행할 수 있다.