[OS Concepts] 2. Operating-System Structures

'Operating System Concepts - 10th edition' 을 읽고 정리한 내용입니다.

2.1 Operating-System Services

• 유저를 위한 OS 서비스
  • 유저 인터페이스
    • GUI, 터치스크린 인터페이스, CLI
  • 프로그램 실행
    • 프로그램을 메모리로 로드해서 실행
  • I/O 오퍼레이션
    • 보통 효율성과 보호의 이유로 유저가 직접 I/O 장치에 접근할 수 없게 되어 있음
    • 따라서 OS가 I/O에 접근할 수 있는 방법을 제공해야 함
  • 파일시스템 처리
    • 파일/디렉토리 읽기/쓰기/삭제 등
    • 파일/디렉토리 접근 권한에 따라 접근 제어
  • Communications
    • 프로세스간 통신
      • 동일 컴퓨터 상 or 네트워크를 통해
    • 공유 메모리, 메시지 전달 등의 방법을 사용
  • 에러 탐지
    • CPU, 메모리, I/O 장치, 디스크(디스크, 네트워크, 프린터, etc.), 유저 프로그램 등 여러 곳에서의 에러를 감지하여 처리
• 시스템 운영의 효율성을 위한 서비스
  • 리소스 할당
    • CPU, 메모리, I/O 장치 등
  • 로깅
    • 자원 사용량 관련 stats, etc.
  • Protection and security
    • 프로세스 간 간섭 방지
    • 시스템 접근 권한이 있는 유저에 대한 인증

2.2 User and Operating-System Interface

2.2.1 Command Interpreters

• shells : C shell, Bourne-Again shell, Korn shell, etc.
• 커맨드는 쉘 자체의 빌트인 함수로 제공되거나 시스템 프로그램으로 제공됨.

2.2.2 Graphical User Interface

• 데스크톱에서 마우스를 사용하여 프로그램 실행, 파일 선택 등등 작업 수행
• 윈도우즈, KDE, GNOME, etc.

2.2.3 Touch-Screen Interface

• 스마트폰, 태블릿 컴퓨터
• 화면 터치를 통해 상호작용

2.3 System Calls

• OS가 제공하는 서비스에 대한 인터페이스를 제공

2.3.1 Example

2.3.2 Application Programming Interface

• 보통 프로그램 개발자들은 직접 시스템 콜을 호출하는 대신 API를 호출 (ex. libc)
  • Portability의 장점
• 그렇지만 많은 시스템 콜 호출 API는 실제 커널 시스템 콜과 큰 연관성이 있는 형태로 존재
• System-Call Interface
  • 유저의 시스템 콜 호출을 위한 인터페이스 제공
  • 유저 모드에서 시스템 콜 인터페이스 함수를 호출하면 커널 모드에서 적절한 구현을 찾아 실행
• OS에 시스템 콜 파라미터를 넘기는 방법
  • 레지스터에 값 설정, 블럭에 값 저장, 스택 메소드, etc.
  • ex) 리눅스의 경우 5개 이하의 파라미터는 레지스터 사용, 그 외에는 블럭 메소드 사용

2.3.3 Types of System Calls

• Process control
  • create process, terminate process
  • load, execute
  • get process attributes, set process attributes
  • wait event, signal event
  • allocate and free memory
• File management
  • create file, delete file
  • open, close
  • read, write, reposition
  • get file attributes, set file attributes
• Device management
  • request device, release device
  • read, write, reposition
  • get device attributes, set device attributes
  • logically attach or detach devices
• Information maintenance
  • get time or date, set time or date
  • get system data, set system data
  • get process, file, or device attributes
  • set process, file, or device attributes
• Communications
  • create, delete communication connection
  • send, receive messages
  • transfer status information
  • attach or detach remote devices
• Protection
  • get file permissions
  • set file permissions

2.4 System Services

• 현대 컴퓨터 시스템 계층에서 하드웨어 => 운영체제 => 시스템 서비스 => 애플리케이션 프로그램 순서로 계층이 올라감
• 시스템 서비스 : 시스템 유틸리티라고도 부름
  • 시스템 콜의 wrapper 역할 혹은 조금 더 복잡한 역할을 함
• 시스템 서비스의 카테고리
  • 파일 관리 :
    • 파일, 디렉토리 생성 / 삭제 / 복사 / 이름 변경 / 목록 출력 등의 작업 수행
  • 상태 정보 :
    • 날짜, 메모리 사용량, 사용자수, 성능, 디버깅 정보 등을 시스템에 요구
  • 파일 수정 :
    • 파일을 생성/수정하는 텍스트 에디터
  • 프로그래밍 언어 지원 :
    • 보통의 프로그래밍 언어(C, C++, Java, Python)를 위한 컴파일러, 어셈블러, 디버거, 인터프리터 등을 제공
  • 프로그램 로딩과 실행 :
    • 컴파일된 프로그램을 메모리로 로드하고 실행하기 위한 프로그램
    • absolute loaders, relocatable loaders, linkage editors, overlay loaders 제공
    • 연관된 디버깅 시스템 제공
  • 커뮤니케이션 :
    • 프로세스, 유저, 컴퓨터 시스템 간 가상의 커넥션을 만드는 메커니즘 제공
    • ex) 웹 브라우징, 이메일 전송, 파일 전송
  • 백그라운드 서비스 :
    • 백그라운드에서 지속적으로 실행되는 시스템 프로그램 프로세스를 services, subsystems, daemons라고 부름.
    • ex) 네트워크 데몬, 프로세스 스케쥴러
    • 중요한 활동을 커널 컨텍스트가 아닌 유저 컨텍스트에서 실행하는 OS는 데몬을 활용하기도 함

2.5 Linkers and Loaders

• Linker는 relocatable object file을 엮어서 하나의 executable 파일을 생성.
  • 링킹 과정에서 다른 오브젝트 파일이나 라이브러리가 포함될 수 있음 (ex. standard C)
• Loader는 바이너리 실행 파일을 메모리로 로드하여 CPU 코어 상에서 실행.
• Relocation은 프로그램의 부분마다 최종 주소를 부여하고 코드에 이 주소를 기록하여 코드 실행 과정에서 이를 호출할 수 있도록 하는 과정
• 몇몇 라이브러리는 실행 파일에 포함하지 않고 relocation information만 넣어둠. 대신 프로그램 로딩 과정에서 동적으로 연결
• ex)
  • main.c의 소스 코드
  • gcc -c main.c를 통해 컴파일러가 main.o의 오브젝트 파일 생성
  • gcc -o main main.o -lm을 통해 main.o와 기타 오브젝트 파일을 링크해서 실행 파일 main 생성
  • ./main 실행시 로더가 동적으로 링킹되는 라이브러리와 함께 실행파일을 메모리에 로드
• 오브젝트 파일과 실행 파일은 보통 스탠다드 포맷이 존재
  • 컴파일된 기계 코드, 프로그램이 참조하는 함수와 변수의 메타데이터를 포함하는 심볼 테이블 드응ㄹ 포함
  • 리눅스/유닉스에서는 ELF(Executable and Linkable Format)
  • 윈도우즈에서는 Portable Executable(PE)
  • MacOS에서는 Mach-O

2.6 Why Applications Are Operating-System Specific

• 시스템 콜이 OS마다 다르기 때문에 하나의 어플리케이션을 그냥 다른 운영체제에서 실행할 수 없음.
• 여러 운영체제에서 동일한 애플리케이션을 실행시키기 위한 방법
  1. 인터프리터 언어로 작성하여 각 OS에서 사용 가능한 인터프리터로 실행
  2. 언어의 RTE(Runtime Environment)에 가상 머신을 포함하는 언어로 작성 (ex. 자바)
  3. 애플리케이션 개발자가 직접 각 OS에 맞게

2.7 Operating-System Design and Implementation

2.7.1 Design Goals

• user goals, system goals
• 하나의 유일한 정답이 존재하지 않음

2.7.2 Mechanisms and Policies

• policy :
  • what의 문제
  • ex) 특정 유저를 위해 타이머가 얼마나 길게 설정될 것인가의 문제
• mechanism :
  • how의 문제
  • ex) 타이머의 구조 자체
• policy와 mechanism의 분리를 통해 유연성 확보
  • 목적에 따라 policy는 자주 바뀔 수 있음

2.7.3 Implementation

• 어셈블리어부터 더 고급 언어까지 다양하게 사용 가능
• 보통 C, C++로 많이 쓰임
• 고급 언어로 쓸수록,
  • 코드 이해와 디버깅이 쉬워짐
  • 하드웨어간 포팅이 쉬워짐

2.8 Operating-System Structure

2.8.1 Monolithic Structure

• 하나의 주소 공간에서 실행되는 단일한 static binary 파일에 커널 기능을 전부 넣는 구조
• ex) Original Unix OS (커널과 시스템 프로그램 두 파트로 구성됨)

2.8.2 Layered Approach

• 시스템을 개별적인 작은 요소로 분리
• 하나의 OS 계층은 추상화 객체의 구현 - 데이터와 데이터 조작 오퍼레이션
• 상위 계층이 하위 계층의 함수를 호출
• 구성의 단순함과 디버깅의 용이함이 장점
• 특정 기능 사용을 위해 여러 계층을 뚫고 내려가야할 수도 있는 단점

2.8.3 Microkernels

• 커널에서 필수적인 컴포넌트만 빼고 나머지 컴포넌트는 유저 레벨 프로그램으로 작성해서 다른 주소 공간에서 실행
  • 프로세스 간 커뮤니케이션 / 메모리 관리 / CPU 스케쥴링
• OS를 확장하기 편리하다는 장점
  • 새 서비스 추가는 유저 스페이스에 하면 되기 때문에 커널을 수정할 필요가 없다.
• 대부분의 서비스가 유저 모드에서 실행되므로 더 안전하고 안정적이라는 장점
• ex) Darwin (macOS와 iOS의 커널 컴포넌트)
• 서비스간 통신을 위해 메시지를 서로 다른 주소 공간으로 복사해야 하기 때문에 성능 저하의 단점

2.8.4 Modules

• 현재의 많은 OS 시스템 디자인이 loadable kernel modules (LKMs)를 사용함.
  • 커널이 코어 컴포넌트들을 가지고 추가적인 서비스는 부팅 시간 또는 런타임에 모듈을 통해 연결하는 구조.
• 각 커널 섹션이 정의되고 보호되는 인터페이스를 가진다는 점에서 레이어 시스템과 유사. 하지만 어떤 모듈이든 다른 모듈을 호출할 수 있다는 점에서 더 유연한 구조.
• 프라이머리 모듈이 코어 기능과 어떻게 다른 모듈을 불러오고 그들과 소통할지만 안다는 점에서 마이크로커널과 유사. 하지만 커뮤니케이션을 위해 메시지 패싱을 invoke할 필요가 없으므로 더 효율적.

2.8.5 Hybrid Systems

• 보통은 앞에서 살펴본 구조를 섞어서 사용

2.8.5.1 macOS and iOS

• 특징적인 레이어는 다음과 같다
  • User experience layer
    • macOS는 Aqua 유저 인터페이스
    • iOS는 Springboard 유저 인터페이스
  • Application frameworks layer
    • Cocoa, Cocoa Touch 프레임워크
      • Objective-C와 Swift에 API를 제공
  • Core frameworks
    • Quicktime, OpenGL 등을 포함하는 그래픽/미디어 지원 프레임워크를 정의하는 레이어
  • Kernel environment
    • Darwin
      • Mach 마이크로커널과 BSD UNIX 커널을 포함하고 있음
• 애플리케이션은 user experience 기능을 사용하거나 이를 건너뛰어 application framework, core framework, kernel environment 를 이용할 수도 있다.
• traps로 알려진 Mach 시스템 콜과 BSD 시스템 콜을 사용 가능
• 시스템 콜 인터페이스 밑에서는 Mach가 주요 OS 서비스를 제공
  • 메모리 관리, CPU 스케쥴링, 프로세스간 커뮤니케이션 (IPC)
  • ex) BSD POSIX fork()함수 호출시 Mach 가 커널 추상화를 통해 프로세스를 표현
• 장치 드라이버와 dynamically loadable 모듈 개발을 위한 I/O kit(kernel extensions, or kexts) 제공
• 메시지 패싱으로 인한 성능 저하 이슈에 대응하기 위해 Darwin에서는 Mach, BSD, I/O kit, 여타 커널 확장을 단일 주소 스페이스에 둔다.
  • Mach는 pure한 마이크로커널은 아님

2.8.5.2 Android

• iOS와 비슷하게 소프트웨어의 계층 스택 구조
• 자바용 안드로이드 API 제공
• 자바 애플리케이션은 ART(Android RunTime)에서 실행될 수 있는 형태로 컴파일됨
  • 자바 코드 -> 자바 바이트코드 (.class 파일) -> 실행 파일 (.dex 파일)

2.9 Building and Booting an Operating System

2.9.1 Operating-System Generation

• OS를 밑바닥부터 만들려면..
  1. OS 소스 코드 작성
  2. 동작시킬 시스템에 맞게 OS를 설정
  3. OS를 컴파일
  4. OS 설치
  5. 컴퓨터와 OS를 boot

2.9.2 System Boot

• booting : 커널을 불러와서 컴퓨터를 시작하는 과정
  1. bootstrap program or boot loader가 커널의 위치를 찾음
  2. 메모리를 커널로 불러온 후 시작
  3. 커널이 하드웨어를 초기화
  4. 루트 파일 시스템을 마운트

2.10 Operating-System Debugging

• debugging : 시스템의 에러를 찾아서 고치는 행위. 하드웨어/소프트웨어 모두
  • 성능 문제도 버그로 간주 -> performance tuning도 디버깅에 포함 : bottlenecks 찾아서 없애기

2.10.1 Failure Analysis

• 프로세스가 fail하면 OS가 에러 정보를 관리자 또는 사용자 공간에 로그 파일로 남김
  • Core dump를 남기기도 한다. (프로세스의 메모리를 캡쳐한 것)
• crash : 커널의 failure
  • crash 발생시 로그 파일에 에러 정보를 기록하고 메모리 상태를 crash dump로 저장
• OS 디버깅은 프로세스 디버깅과 다른 테크닉이 필요
  • 예를 들어 파일 시스템의 커널 failure가 발생한 경우에 상태를 파일 시스템에 기록하고 재부팅하는 것은 위험할 수 있다.
  • 이러한 경우를 위해 마련된, 파일 시스템을 포함하고 있지 않는 디스크의 한 부분에 커널의 메모리 상태를 기록.
  • 시스템이 재부팅되면 프로세스가 해당 영역에서 데이터를 모으고 파일 시스템 상에 crash dump 파일을 기록한다.

2.10.2 Performance Monitoring and Tuning

2.10.2.1 Counters

• 시스템 콜 횟수, 네트워크 장치에 요청된 오퍼레이션 횟수 등 정량적인 요소를 트래킹
• 보통의 리눅스 시스템은 /proc 파일 시스템에서 지표를 읽어들인다.
  • /proc은 프로세스 단위 커널 스탯을 쿼리하는 데 사용되는 pseudo 파일 시스템이고, 커널 메모리 안에만 존재한다.
  • 프로세스에 부여된 유일한 정수 값의 디렉토리 구조로 구성됨
    • ex) /proc/2155 -> 2155 ID의 프로세스 스탯
• 윈도우즈에서는 Windows Task Manager 툴 제공

Per-Process

• ps : 프로세스의 정보를 보여줌
• top : 실시간으로 현재 프로세스들의 지표를 보여줌

System-Wide

• vmstat : 메모리 사용량 지표를 보여줌
• netstat : 네트워크 인터페이스 지표를 보여줌
• iostat : 디스크의 I/O 사용량 지표를 보여줌

2.10.2.3 Tracing

• 카운터 기반 툴이 스탯의 현재 값을 요청하는 반면, 트레이싱은 특정 이벤트의 데이터를 수집한다.

Per-Process

• strace : 프로세스의 시스템 콜 호출에 대한 트레이스
• gdb : 소스 레벨의 디버거

System-Wide

• perf : 리눅스 성능 툴의 모음
• tcpdump : 네트워크 패킷 수집