Ch. 01 운영체제 소개

지니🧸·2023년 9월 6일

OS 운영체제

운영체제

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이 게시글은 <쉽게 배우는 운영체제> (함호종, 원종권 지음)을 공부하며 적은 개인 노트입니다.

1. 운영체제의 개념

운영체제: 컴퓨터 사용자와 컴퓨터 하드웨어 간 인터페이스를 담당하는 프로그램

1.1 운영체제의 역할

컴퓨터 시스템의 구성요소: 컴퓨터 사용자, 소프트웨어, 하드웨어

컴퓨터 사용자: 컴퓨터를 사용하는 사람, 장치, 컴퓨터

하드웨어: 연산을 위한 기본 자원을 제공하는 CPU(프로세서), 메모리, 다양한 장치 등
소프트웨어: 컴퓨터가 기능 수행하는데 필요한 프로그램
- 유틸리티: 컴퓨터의 처리 과정을 보조하여 시스템을 유지하고 성능을 개선하기 위한 프로그램
  - (예) 컴파일러, 편집기, 압축(해제) 프로그램
  - 응용 프로그램보다 작은 프로그램
- 응용 프로그램: 문제를 해결하기 위해 만들어진 프로그램
  - (예) DBMS, 비디오 게임, 워드 등

운영체제의 역할

조정자

다른 프로그램이 작업할 수 있는 환경 제공
직접 작업은 수행하지 않지만, 작업이 완료될 수 있도록 조정자 역할 수행
- 프로그램이 제 기능을 하도록 도와준다

자원 관리(할당)자

각 응용 프로그램 실행에 필요한 자원을 관리 및 할당한다
다른 응용 프로그램에서 동시에 동일한 자원을 요구하면 이를 공정/효율적으로 운영하기 위해 결정

문제 해결과 사용자 프로그램 제어

입출력 장치를 동작시키고 제어한다
컴퓨터 시스템의 오류/부적절 사용을 방지하기 위해 응용 프로그램의 실행을 제어한다
기능
- 하드웨어와 사용자 간 인터페이스 정의
- 사용자들이 하드웨어를 공동으로 사용할 수 있게 해줌
- 사용자들이 데이터를 공유할 수 있게 해줌
- 사용자 간 자원관리자 역할
- 입출력 보조
- 오류 처리

1.2 자원 관리

자원: 메모리, 프로세스, 장치, 파일 등 시스템 구성요소
운영체제의 역할:

응용 프로그램의 메모리 공간, 시간 등의 자원에 대한 스케쥴링 및 할당
제한된 자원을 효율적으로 사용하기 위한 이용율 증가
오버헤드 최소화
각 응용프로그램의 수행 영역 보호

프로세스 관리

프로세스

실행 중인 프로그램
한 시스템에서 작업 단위

시스템: 프로세스의 집합

운영체제 프로세스와 사용자 프로세스를 포함한다
운영체제 프로세스: 시스템 코드를 수행하는 프로세스
사용자 프로세스: 사용자 코드를 수행하는 프로세스

운영체제가 프로세스를 관리하는 방법

프로세스와 스레드 스케쥴링
프로세스 생성과 제거, 중지와 재수행
프로세스 동기화 및 통신을 위한 기법 제공
교착상태를 방지하는 기법 제공

메모리 관리

메모리: 메인 메모리와 보조 기억 장치

메인 메모리: 프로세서가 직접 주소로 지정할 수 있는 메모리
- 프로세서가 명령어를 수행하려면 명령어가 메인 메모리에 있어야 함
  - 프로그램이 절대 주소로 맵핑되어 메인 메모리에 저장됨
- 프로세서 이용률과 컴퓨터 응답 속도를 높이려면 메모리에 프로그램을 몇개 저장하고 있어야 한다
  - 다중 프로그래밍 >> multi-programming system
보조기억 장치: 메인 메모리에 미처 저장하지 못한 내용을 저장하는 디스크

메인 메모리 관리
- 메모리의 어느 부분이 사용되는지, 누가 사용하는지 점검
- 메모리 공간에 어떤 프로세스를 저장할지 결정
- 메모리 공간을 할당/회수하는 방법 결정
보조기억 장치 관리
- 비어 있는 공간 관리
- 저장 장소 할당
- 디스크 스케쥴링

장치 관리

임시 저장 시스템
- buffer-chacing
일반적인 장치 드라이버 인터페이스
특정 하드웨어 장치를 위한 드라이버

파일 관리

운영체제는 효율성을 위해 단일화된 정보 저장 형태를 유지 제공한다

파일 생성과 제거
디렉터리 생성과 삭제
보조기억 장치에 있는 파일의 맵핑
안전한 저장 매체에 파일 저장
- 안전한: 비휘발성

기타 관리

보호 시스템: 운영체제의 관리 하에 적절한 영역 및 자원을 보호
네트워킹: 네트워크를 관리한다
명령 해석기: Command interpreter

1.3 운영체제의 목적

사용자에게 편리한 환경 제공: GUI 등
자원관리 및 오류 제어
시스템 성능 향상
- 처리능력 (throughput): 시스템의 생산성. 단위 시간당 처리하는 작업량
- 신뢰도 (reliability): 하드웨어/소프트웨어가 실패 없이 주어진 기능을 수행할 수 있는 능력
- 응답 시간: 사용자가 시스템에 작업을 의뢰한 후 반응 얻을 때까지의 시간
  - 시분할 방식 시스템) 응답시간
  - 일괄 처리 시스템) Turn around time
사용가능도 (availability) 증대
- 고장/오류 시에도 시스템 전체를 중단시키지 않고 운영한다

3. 운영체제의 서비스

3.1 사용자 서비스

사용자 서비스: 프로그래머가 프로그래밍 작업을 쉽게 수행할 수 있도록 제공되는 서비스

사용자 인터페이스: 사용자와 컴퓨터 간 상호 작용 공간
- 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI)
  - 마우스 키보드 등으로 조작
- 명령 라인 인터페이스 (Command-Line interface, CLI)
  - 텍스트 전용 인터페이스
- 웹 사용자 인터페이스 (Web User Interface)
  - 웹 브라우저 프로그램을 사용
  - 웹페이지를 통해 입력을 수락하고 생성하여 출력을 제공하는 GUI 영역의 인터페이스
프로그램 실행: 컴퓨터에 설치된 프로그램을 열거나 실행한다
- 파일의 내용을 메모리에 적재한다
- 프로그램을 실행한다
- 프로그램 실행을 정상/비정상적으로 끝낸다
입출력 작업
- 사용자 프로그램은 장치에 접근할 수 없기 때문에 운영체제가 입출력 동작을 위한 방법을 제공해야 한다
파일 시스템 조작
- 파일은 디스크의 블록에 저장된다
- 파일을 삭제하면 파일정보가 제거되고, 할당된 블록은 자유로워진다
- 적절한 파일 접근권한 관리가 필요하다
통신: 프로세스 간, 또는 시스템 간 통신
오류 탐지: 운영체제는 모든 하드웨어 및 소프트웨어에서 오류를 항상 탐지해야 한다
- 하드웨어) 모든 데이터가 전송 도중 손상되지 않았는지 확인
- 소프트웨어) 일관성 있는 계산을 위한 오류 조치

3.2 시스템 서비스

시스템 서비스: 시스템 자체의 효율적인 동작을 보장하는 기능

자원 할당

자원: 프로세서 사이클, 메인메모리, 파일 저장 장치, 입출력 장치 등

다수의 사용자/작업을 운영하기 위해서는 운영체제가 자원을 각각 할당/관리해야 한다

계정

각 사용자가 어떤 컴퓨터 자원을 얼마나 사용하는지 정보를 유지/추적한다

보호와 보안

작업간 영역을 보호하고, 작업 도중 방해받지 않도록 보장한다

보호:

시스템 호출을 위해 전달된 모든 매개변수의 타당성 검사
시스템 자원에 모든 접근을 제어하도록 보장

보안:

잘못된 접근 시도로부터 외부 입출력 장치 방어
외부자에 대한 사용자 인증을 필요

3.3 시스템 호출

시스템 호출(System call): 실행 중인 프로그램과 운영체제 간의 인터페이스

사용자 프로그램은 시스템 호출로 운영체제의 기능에 접근한다
API: Application Programming Interfaces

시스템 호출 방법

프로그램에서 명령/서브 루틴의 호출 형태로 실행한다
- 일반적으로 어셈블리 명령어로 제공됨
시스템에서 명령 해석기를 통해 대화 형태로 호출한다

시스템 호출 종류

프로세스 제어: 종료/취소, 적재/수행, 프로세스 생성/종료, 프로세스 속성 획득/지정, 대기, 대기/신호 이벤트, 기억 장치 할당 및 해제
파일 조작: 파일 생성/삭제, 오픈/닫음, 읽기/쓰기/재배치, 파일 속성 획득/지정, 논리적 부착
장치 조작: 장치 요구/해제, 읽기/쓰기/재배치, 장치 속성 획득/설정, 논리적 부착, 장치 제거
정보 관리: 시간 및 일자의 설정/획득, 데이터의 설정/획득, 프로세스/파일/장치 속성의 설정/획득
통신: 통신 연결의 생성/제거, 메시지의 송수신, 상태 정보 전달, 원격장치의 부착/제거

4. 운영체제의 구조

4.1 단순구조 운영체제 (Monolithic structure)

단순 구조 운영체제: 최소 공간에서 가장 유용한 기능을 제공하도록 작성된 보편적인 운영체제 구조

운영체제의 모든 기능 및 구성요소를 커널에 포함한다
- 기능/구성요소는 효율적인 모듈로 구분되지 못한다
- 인터페이스와 기능 수준의 명확한 분리가 어렵다
사용자 프로그램의 실패가 전체 시스템 충돌의 원인이 될 수 있다
여러 하드웨어에 의해 제한된 구조다

4.2 계층 구조 운영체제 (Layered structure)

계층 구조 운영체제: 유사한 기능을 묶어 계층화해서 모듈 구조로 변화했다

아래 사진은 계층 접근이다

가장 낮은 계층 (0층)은 하드웨어
최상의 계층 (N층)은 사용자 인터페이스

계층 접근 방식의 장점

구조와 디버깅이 간단하다
각 계층은 각각 낮은 수준의 기능 및 서비스를 사용하도록 선택된다 >> 디버깅 및 시스템 검증 단순화

계층 0: 프로세서의 기본 다중프로그래밍 제공
- 인터럽트가 발생하거나 시간이 종료되면 프로세스간 스위칭과 프로세서의 할당을 처리한다
계층 1: 메모리 관리
- 메인 메모리에 프로세스에 대한 공간을 할당한다
계층 2: 각 프로세스와 운영자 콘솔 간의 통신 처리
계층 3: 입출력 장치를 관리하고, 장치들로부터 스트림 정보를 버퍼링 처리한다
계층 4: 사용자 프로그램
- 프로세스, 메모리, 콘솔, 입출력 관리에 대해 걱정할 필요가 없다
계층 5: 시스템 운영자 프로세스

스트림 정보: 일련의 데이터가 한 곳에서 다른 곳으로 직렬로 이동하는 상태이자 프로그램이 주변 장치와 통신하는 수단
표준 스트림: 컴퓨터 프로그램과 그 환경(I/O 장치 등) 사이에 미리 연결된 입출력 통로 (stdin: standard input, stdout: standard output, stderr: standard error)

버퍼링: 운영체제의 기능 중 하나로, 상주 모니터 혹은 장치 드라이버에 시스템 입출력 버퍼를 사용하여, 입출력 장치에 유휴시간이 없도록 프로세서의 연산 과정과 함께 작업의 입출력을 동시에 수행하는 것

각 계층은 하위 수준에 의해 구현 및 운영됨
각 계층은 이러한 작업이 구현되는 방식을 모두 알 필요는 없음
각 계층은 특정 데이터 구조, 운영 등을 숨긴다
- 본 계층의 작업과 역할만 수행한다

계층 접근 방식의 단점: 높은 계층은 차례로 낮은 계층에 대한 작업을 호출해야 돼서, 계층 간 데이터 전달 때문에 추가 오버헤드의 시스템 호출이 발생한다

4.3 마이크로 커널 구조 운영체제

커널

커널 공간과 사용자 공간으로 구분된다
- 커널 공간은 사용자 공간은 없는 권한을 가진다

커널의 종류: 단일(monolithic) 커널과 마이크로(micro) 커널

Monolithic kernel

Unix, MS-DOS, 초기 Mac 운영체제의 커널
커널 공간: 시스템 서비스를 실행한다
- 시스템 서비스: 프로세스 관리, 메모리 관리, 인터럽트 처리, 입출력 통신, 파일 시스템 등
사용자 공간: 운영체제의 나머지 부분 (라이브러리와 응용 프로그램)

장점:
- 각 컴포넌트 간 커뮤니케이션이 효율적이다.
- 커널이 모든 시스템 서비스들을 관리 했기 때문에(모놀리식 커널이기에) 개발자는 커널이 제공하는 함수만 사용해서 쉽게 할 수 있다
단점:
- 디바이스 드라이버를 추가/삭제 하려면 커널을 재빌드 해야 한다
  - 새로운 커널의 컴파일은 시간과 많은 메모리를 사용한다
- 하나가 죽으면 전체 시스템이 죽는다.
- 커널 공간에 모든 서비스를 포함한다 >> 커널 크기 증가 >> 확장성 부족 >> 유지보수 어려움
  - 이 문제를 해결하기 위한 것이 마이크로 커널이다

Micro kernel

Monolithic kernel에서의 변화

입출력 제어와 기본 프로세스 통신 커널을 줄였다
다른 시스템 서비스는 정상적인 프로세스의 형태, 즉 서버로 불리는 사용자 공간에 있도록 한다
서버가 더이상 커널 공간에서 실행되지 않기 때문에 사용자 프로세스가 특권모드가 될 수 있도록 문맥교환(Context switching)이 필요하다

마이크로 커널: 핵심적인 기능(스케줄링, 메모리 관리 등등)만 커널에 담고 나머지는 제외해 가볍게 만든 커널

기존에 모놀리식 커널이 갖고 있던 시스템 기능들(VFS, IPC, Device driver)은 커널위의 서버의 형태로 존재한다
- 장점은 하나의 서비스가 죽더라도 커널 전체가 영향 받지는 않는다
(예) Mac OS X
장점:
- 서버를 추가하는 방식이기 때문에 기능을 추가하기 쉽다
- 시스템이 견고하다
- 리얼타임성이 높다
단점:
- 시스템 기능들이 서버의 형태로 존재하기 때문에 커뮤니케이션 오버헤드가 있다