2. Operating System Overview (2)

Operating System "Service"

리눅스에서 로그인을 한 다음에 프로그램을 실행한다면?

예를 들어, ls라는 명령어를 입력하고 엔터를 쳤다. ls라는 프로그램이 실행되기 위해서는 그 프로그램을 실행하기 위한 프로세스가 만들어져야 하고, 그 프로그램을 프로세스에 담아서 메모리에 올려야 실행할 수 있게 된다.
사용자가 ls를 입력하고 엔터를 치면 이 프로세스가 만들어져야 하는데, 누가 만드는 것일까. 사람이 실행시킨 것은 맞지만 프로세스를 사람이 만드는 것은 아니다.

ls를 입력하고 엔터를 치면 어떤 일이 벌어질까.

프로세스를 만드는 서비스를 OS가 제공하는데, 해당 서비스는 System Call을 통해 제공이 된다.
프로세스를 만드는 서비스는 fork()라는 System Call을 통해 사용할 수 있다.

이 외에도 OS는 자기가 하는 일들을 사용자의 요청에 따라 해주게 되고, 사용자가 그런 요청을 할 수 있도록 서비스의 형태로 제공을 한다. 그 서비스들이 Operating-system service이고, 그 서비스를 호출하는 방법은 System Call이다.

프로세스를 만든다든지, 프로세스를 죽인다든지, 파일을 만든다든지, I/O를 수행하는 등의 다양한 OS가 제공하는 서비스가 있다.
이 서비스를 이용하는 방법은 각 서비스에 맞는 System call을 호출하는 것이다.

서비스는 뭐가 있을까? 유저 인터페이스, 프로그램을 실행하는 서비스 I/O를 수행하는 서비스, 파일을 만들고 삭제하는 서비스, 커뮤니케이션 서비스, 에러를 탐지하고 처리하는 서비스 등등...

 

이러한 시스템 콜을 호출하는 방식도 여러가지가 있다.

시스템 콜이 들어있는 라이브러리 함수를 사용할 수도 있고, GUI를 사용하는 방법, Command line에 명령어를 입력하는 방법 등등이 있다.

사용자가 프로그램을 더블 클릭하여 실행시키면 GUI라는 유저 인터페이스가 fork() system call을 호출하게 되고,

그러면 OS는 그 system call을 받아 새로운 프로세스를 만들어서 프로그램을 실행시키는 서비스를 제공하게 된다.

 

System Call

다시 말해, 시스템 콜은 OS의 서비스를 호출하는 Interface라고 할 수 있다.

System call을 직접 호출할 수도 있지만, 직접 호출하기 보다는 high level의 API(Application Program Interface)를 통해 호출도록 하고 있다.

 

가장 많이 사용되는 API들은

1. WIN32 API for Windows

2. POSIX API for POSIX-based systems( UNIX, Linux, and Mac OS )

3. Java API for Java virtual machine( JVM )

이렇게 3가지가 있다.

API를 사용하면 같은 계열의 OS마다 같은 API를 사용할 수 있다.

WIN32 API는 윈도우 계열의 OS에서, POSIX API는 Unix 계열의 OS에서, Java API는 Java virtual machine이 설치된 모든 컴퓨터에서 호환이 가능하다.

 

왜 System Call을 직접 호출하지 않고 API를 통해 호출하는 것일까?

같은 서비스를 이용하더라도 OS마다 System Call이 다 다르다.

=> Systemcall은 OS에서 제공하는 것이기 때문에
그런데 API를 사용하면 하나의 API로 여러 OS에서 동작할 수 있도록 할 수 있음.
즉, 하나의 프로그램 소스 코드로 여러 OS에서 동작하도록 할 수 있다는 뜻이다.
=> 이식성(Portability)이 좋다.

 

printf 함수 안에도 system call을 호출하는 부분이 들어있다고 했다.

printf 함수는 내용을 화면에 출력하는 함수인데, 모니터는 하드웨어이기 때문에 OS를 통해서 접근해야 한다. 그래서 printf 함수 내에는 마지막 부분에 화면에 출력을 OS에게 요청하는 System Call이 내장되어 있다고 했다.

그런데 생각해보면 이 printf 함수는 OS에 상관없이 코드가 동작을 한다. 심지어 같은 계열의 OS가 아니라도 동작을 하게 되는데 이건 어떻게 된 걸까?

printf는 OS를 위해 만들어진 API가 아니라 programming language가 제공하는 API이기 때문에 C언어를 사용할 수 있는 OS에서는 다 돌아간다.
컴파일러가 OS에 맞춰서 컴파일해 주는 것이다.

=> 그래서 이식성이 가장 좋은 API는 programming language에서 제공하는 API, 그 다음은 OS 계열에 따라 제공되는 API 

 

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파일의 내용을 카피하는 동작을 위해서 어떤 System Call들을 호출하게 될까?

input 파일의 이름을 입력받아서 화면에 출력하고, output 파일의 이름을 입력받아서 화면에 출력한다.

input 파일을 Open하고, Output 파일을 Create 한다.

그리고 루프를 돌면서 input 파일의 내용을 읽어서 output 파일에 쓴다.

모든 내용을 복사하고 나면, output file을 Close하고 성공적으로 마쳤다는 메시지를 화면에 출력한다.

그리고 프로그램을 종료한다.

 

리눅스에서 사용자는 단순히 copy file a file b 라고 쓰면 a 파일의 내용이 b 파일로 쉽게 복사가 되지만,

실제로 copy라는 프로그램 내에서는 System Call들이 여러 번 호출된다.

=> 사용자는 API를 통해 간단하게 실행 가능

 

API를 사용하는 이유: 이식성, 편리성

 

System Call이 호출되면 어떤 방식으로 동작할까?

System Call마다 고유한 번호가 부여되어 있다.

시스템 콜이 호출되었을 때 시스템 콜을 수행하기 위해서는 해당 시스템 콜이 메모리 어디에 올라와있는지 알아야 한다.
각 시스템 콜마다 고유한 번호가 부여되어 있고, 테이블에는 그 번호를 인덱스로 하여 시스템 콜이 올라와 있는 메모리 주소가 테이블의 형태로 저장되어 있음.

시스템 콜이 호출되면 테이블을 참고해서 해당 시스템 콜이 있는 메모리 주소를 찾아 PC가 거기를 가리키도록 한 다음 해당 코드로 점프한다. CPU가 거거서부터 수행하면 시스템 콜이 동작.

=> 사용자는 이런 걸 전혀 알 필요 없이 API만 호출하면 된다.

 

User application이 System call을 직접 호출했을 때의 동작 과정

유저 프로그램이 Open() 시스템 콜을 호출하게 되면 호출한 순간 mode bit가 유저 모드에서 커널 모드로 변경이 되고, Open 시스템 콜에 해당하는 번호를 이용해서 테이블을 통해 Open 시스템 콜의 코드가 있는 주소를 찾아 그 코드를 수행한다. 수행이 모두 완료되면 다시 유저 프로그램으로 리턴하고, mode bit를 유저 모드로 다시 변경한다.

 

유저 프로그램이 라이브러리 함수를 통해서 System call을 호출했을 때의 동작 과정

유저 프로그램이 System call이 포함된 라이브러리 함수를 호출하게 되면, 해당 라이브러리 함수가 시스템 콜을 하게 되고,

그 순간 커널 모드로 변경이 된다. 똑같이 write 시스템 콜의 번호를 인덱스로 하여 해당 시스템 콜의 코드를 찾아 그 부분을 실행한다.

실행이 완료되면 write는 라이브러리의 printf 함수로 리턴이 되고 printf는 write의 리턴 값을 받아서 유저 프로그램의 printf 함수의 리턴 값으로 전달하게 된다.

 

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Virtual Machine (가상 머신)

교수님이 가상 기계면 가상 기계고 버추얼 머신이면 버추얼 머신이지 왜 가상 머신이라고 하는지 이해할 수 없다고 하셨는데, 듣고 보니 그렇다,,

 

아무튼 우리는 Virtual Machine을 사용하게 되는데, 왜 이러한 가상 머신을 사용하는 것일까?

과제를 위해서 운영체제 코드를 직접 바꾼다고 해보자. 사용하고 있는 노트북의 운영체제 코드를 직접 바꿔서 컴파일해서 그걸 설치한 다음 부팅을 했는데, 내가 코딩을 잘못해서 부팅이 안 되면?
정상적인 OS를 다시 설치해서 정상적으로 부팅되게 만들어서 또 다시 내가 원하는 코드로 수정해서 수정한 OS를 깔아서 또 부팅을 다시 해본다. 또 실패하면 이 과정을 다시 반복해야 한다. 엄청난 시간이 소요될 것임.
또한 이런 작업은 내 개인용 PC에서만 해야한다. 공용 PC에서 하면 큰일남.

VM이 하는 일은 컴퓨터 하드웨어와 하드웨어 위의 운영체제를 묶어서 그것을 통째로 하드웨어처럼 보이게 만들어 주는 것이다. 즉, 운영체제가 깔려있지 않은 순수 기계처럼 보이게 해준다.
우리는 가상 머신 위에서 OS에 대한 작업을 하다가 만약 부팅이 안 되면 가상 머신을 그냥 삭제하면 되는 것이다.

가상 머신을 사용하게 되면 원래의 하드웨어와 OS 위에 새로운 가상 머신을 설치할 수 있게 해준다.

그리고 그 가상 머신 위에 우리가 원하는 OS를 설치해서 사용할 수 있다.

하나의 기계에서 여러 OS를 설치해서 작업할 수 있게 되는 것이다.

여러 개의 애플리케이션에 대해 각 애플리케이션이 동작할 수 있는 환경을 하나의 컴퓨터에서 구성해줄 수 있다.
=> 이것은 클라우드 컴퓨팅에서 매우 유용하게 사용된다
=> 클라우드 컴퓨팅에서는 하나의 컴퓨터를 여러 사람이 사용하니까 사람마다 필요한 OS가 다름. 그런데 하나의 기계 위에 가상 머신을 설치해서 다양한 OS 환경을 제공 가능하다.

 

Cloud Computing(클라우드 컴퓨팅)

이건 잘 몰라도 된다고 하셨는데(참고만 하자), 클라우드 컴퓨팅은 처음에 경제적인 목적으로 시작되었다.

개인이 애플리케이션을 운영하다 보면 모든 애플리케이션은 특정한 시점에 사용자가 집중되는 현상을 보인다.

예를 들어, 수강 신청 사이트는 학기 초에 수강 신청할 때만 이용자가 몰리고 평소엔 사용자가 거의 없다.

그렇기에 어떤 때에 맞춰서 리소스를 확보할지가 항상 딜레마다.

만약 사용자가 가장 많을 때에 맞춰서 리소스를 확보하면 평소엔 그 자원들이 낭비가 되고, 가장 적을 때에 맞춰서 리소스를 확보하면 사용자가 몰렸을 때 자원이 부족하게 된다.

=> 애플리케이션 프로그램을 전용 컴퓨터에서 호스팅하면 초기 비용과, 낭비되는 자원이 너무 많았음.

 

그래서 여러 애플리케이션이 하나의 기계를 공유하여 서버를 호스팅할 수 있도록 해주는 것이 클라우드 컴퓨팅이다.

이러한 그래프를 한 데 모으면 Peak는 낮아지고, 평균을 올라가는 현상을 보인다.

이러한 현상을 Statistical Multiplexing Gain이라고 한다.

이러한 애플리케이션들을 더 많이 모을 수록 그래프는 점점 완만해지게 되고, 그러면 거기에 맞춰서 리소스를 할당하면 모든 애플리케이션이 문제없이 동작할 수 있게 된다.

 

그런데 하나의 컴퓨터를 여러 사람이 사용하다 보니 사람마다 필요한 OS가 다르다. 이때 필요한 것이 가상 머신이다.

=> 하나의 기계로 가상 머신을 이용해 다양한 OS 환경 제공 가능

 

Java Virtual Machine (JVM)

Java Virtual Machine은 클라우드 컴퓨팅처럼 상업적 목적으로 만들어진 것이 아니다

웹 서버에서 페이지 실행 파일을 사용자의 PC로 보내서 사용자의 컴퓨터에서 실행이 되도록 하면, 웹 페이지가 정적인 컨텐츠가 아닌 동적인 웹 컨텐츠가 만들어질 수 있다.

예를 들어, 사이트 내에서 게임을 할 수 있는 웹 페이지. 이런 건 서버 컴퓨터에서 실행해서 페이지를 보내는 것이 아닌 실행파일을 보내서 사용자의 컴퓨터에서 실행되도록 해야 한다.
=> 그런데 실행 파일을 보냈을 때 사용자마다 OS가 다르기 때문에 실행이 될 수도 있고 안 될 수도 있는 문제가 있었다.

그래서 하나의 컨텐츠에 대해서 리눅스용 코드, 윈도우용 코드,, 를 따로 만들어야 했다.
=> 그래서 어느 기계로 가든 실행될 수 있는 파일을 만들기 위해 Java Virtual Machine을 만듦
=> 웹 컨텐츠가 매우 풍부해졌다.

 

컴파일이라는 것은 사용자가 작성한 프로그램을 기계어로 번역하는 것이기 때문에
기계어로 번역해버리면 그 기계어를 해석할 수 있는 기계에서만 동작이 가능하다.
=> 그래서 컴파일을 하지말고 java 파일을 보낸 다음에 컴파일은 사용자 컴퓨터에서 하자 라는 아이디어.

그래서 JVM이 설치되어 있는 기계라면 그 기계의 OS에 상관없이 java class 파일만 받으면 실행시킬 수 있게 된다.

 

*모든 내용은 한양대학교 강수용 교수님의 강의 내용을 참고하여 작성되었습니다.