커널 시스템 알아보기

커널이란?

커널이란 운영체제 내부에서 자원들을 관리하고 추상화 해준다. 이 덕분에 사용자는 내부 하드웨어에 직접 접근하지 않고도 간편하게 프로그램을 실행할 수 있다. 여기서 자원은 CPU, 메모리 , 입출력 장치 같은 것들을 나타낸다.

 

또한 커널은 자원을 관리하기 위한 여러 관리자들이 있다.

1. 테스트 관리자 : 물리적 자원인 CPU를 추상 자원인 테스크로 제공한다.
2. 메모리 관리자 : 물리적 자원인 메모리를 추상 자원인 페이지나 세그먼트로 제공한다.
3. 파일 시스템 관리자 : 물리적 자원인 디스크를 추상 자원인 파일로 제공한다.
4. 네트워크 관리자 : 물리적 자원인 네트워크 장치를 추상 자원인 소켓으로 제공한다.
5. 디바이스 드라이버 관리자 : 각종 외부 장치(프린터, GPU 등)에 대한 접근을 제공한다.

 

커널의 동작 방식

커널은 Memory Resident 한 프로그램이다. 일반적으로 프로그램들은 디스크에 상주해있는데, 커널은 메모리에서 여러 명령들을 처리한다. 

하지만 커널은 사용자의 명령을 직접적으로 받지 않고 쉘이란 프로그램을 통해서 명령을 전달받는다. 즉 쉘을 통해서 커널에게 명령을 내릴 수 있는 것이다.

 

쉘의 역할

프로그램들이 언제 메모리에 로딩되고 해제되는지 관리해주는 프로그램이다. 여러 프로그램들의 메모리를 관리해주며 커널의 중간다리 역할을 수행하기도 한다.

 

출처 : https://medium.com/pocs/%EB%A6%AC%EB%88%85%EC%8A%A4-%EC%BB%A4%EB%84%90-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EA%B0%95%EC%9D%98%EB%85%B8%ED%8A%B8-1-d36d6c961566

 

일반적으로 운영체제가 부팅되면 Memory Resident한 특성을 가지는 커널이 먼저 메모리에 올라온다.

그 후 유저가 터미널을 실행하면 쉘이 메모리에 올라오고 유저가 입력한 커맨드에 맞는 잡(job)을 메모리에 올린다.

이런 과정으로 유저는 프로그램을 내부적인 구조를 신경쓰지 않고 실행시킬 수 있는 것이다.

 

하지만 이런 리눅스 환경은 신경써야 할 점이 하나 있다. 바로 멀티유저 시스템이라는 점이다.

윈도우는 개인pc용 운영체제여서 보안에 대한 부담이 리눅스에 비해 적을 수 있지만, 여러 사용자가 이용하는 리눅스는 보안을 특별히 더 신경써야한다.

만약 유저A가 유저B의 파일에 맘대로 접근할 수 있다면 어떨까? 이는 심각한 문제를 초래할 수 있다. 

따라서 운영체제는 커널모드와 유저모드를 나누어서 입출력 작업 같이 자원에 접근하는 일들은 커널에서 담당하도록 하였다.

이때 커널에게 해당 작업을 요청하는 것을 시스템 콜이라고 한다.

유저 모드에서 시스템 콜이나 인터럽트가 발생하게 되면 커널 모드로 진입한다.

 

시스템 콜의 종류는 다음과 같은 역할들을 수행한다.

프로세스/스레드 관련 처리

파일 I/O 관련 처리

소켓 관련 처리

디바이스 관련 처리

프로세스 통신 관련 처리

 

물론 모든 커맨드에 대해서 시스템 콜이 커널로 명령을 전달해주면 이는 무용지물일 것이다. 그래서 해당 명령이 적합한 명령인지를 판단하는 바이너리 비트를 CPU에 두는데, 이를 mode bit라고 한다. 1이면 커널모드 0이면 유저모드라고 알려져있다.

커널모드에서는 모든 자원에 대한 접근이 가능한데 이때 I/O 같은 작업들을 수행하고 시스템 콜의 리턴값으로 해당 작업에 대한 결과를 받는다. 그리고 해당 작업이 종료되면 다시 유저모드로 돌아가서 프로그램을 실행한다. 이 작업이 한번만 진행되는 건 아니고 프로그램이 실행되면서 수없이 커널모드와 유저모드를 왔다갔다한다.

 

인터럽트란

앞서 인터럽트가 발생하였을 때 커널 모드로 진입한다고 하였다. 이 때 인터럽트는 무엇이고 왜 발생할까? 

인터럽트는 시스템에서 발생한 다양한 종류의 이벤트 혹은 그런 이벤트들이 발생했을 때 알려주는 메커니즘이다.

인터럽트들이 발생하면 CPU에서는 인터럽트 처리를 위해 커널 모드로 진입한다.

하드웨어 혹은 프로그램이 인터럽트 라인에 인터럽트를 세팅하면 인터럽트가 발생한다. 이때 인터럽트 벡터를 통해 인터럽트 서비스 루틴을 실행해서 인터럽트를 처리한다.

 

인터럽트 벡터

인터럽트 서비스 루틴(핸들러)의 주소를 담고 있는 테이블

인터럽트 서비스 루틴

실제 인터럽트를 처리하기 위한 루틴

 

참고로 프로그램 레벨에서 발생하는 인터럽트는 트랩이라고 불리며 하드웨어 인터럽트보다 우선 순위가 높다.

 

외부 인터럽트

전원에 문제가 생겼을 때

I/O 작업이 완료되었을 때

타이머 시간이 끝났을 때

 

내부 인터럽트

0으로 나눴을 때

잘못된 메모리 공간에 접근을 시도할 때

 

소프트웨어 인터럽트

프로그램 처리 중 명령의 요청에 의해 발생하는 데, 대표적으로 SVC에 의한 call이 있다.

 

인터럽트는 다음과 같은 우선 순위를 가진다.

1. 전원 이상(Power fail)
2. 기계 착오(Machine Check)
3. 외부 신호(External)
4. 입출력(I/O)
5. 명령어 잘못
6. 프로그램 검사(Program Check)
7. SVC(SuperVisor Call)

 

시스템 콜 & 인터럽트의 동작 과정(예시)

싱글 코어 환경에서 쓰레드1(t1)과 쓰레드2(t2)가 있다고 가정해보자

 

t1에서 file read 요청이 들어왔다.

이때 file read에 해당하는 시스템 콜이 호출되며 기존 t1의 상태를 저장하고 커널 모드로 진입한다.

커널모드에 진입한 t1은 해당 file이 read 가능한 상태가 될때까지 waiting 하게 되며 다시 유저 모드로 진입 후 t2가 실행되게 된다.

 

t1에서 요청한 file이 read 요청을 처리할 준비가 되었다.

이때는 아까와 다르게 시스템 콜이 아닌 인터럽트가 호출된다. 다시 CPU는 t2의 상태를 저장하고 t1을 waiting에서 ready(runnable)로 상태를 바꾼다. 그런 다음 유저모드로 진입 후에 t2를 실행한다.

 

모종의 이유로 t2의 CPU 점유가 중단되는 일이 생길 것이다.

CPU는 다시 커널 모드로 진입 후에 t2를 ready 상태로 바꾼다. 이제는 t1을 실행 상태로 바꾸고 작업들을 처리하면 된다.

 

하지만 사용자는 직접적으로 시스템 콜을 호출할 일이 없는데 이는 하이(high) 레벨 언어가 시스템 콜을 호출할 수 있도록 래핑(wrapping)을 통해 제공하기 때문이다. 대표적으로 스레드를 start 할 때 native 코드를 통해서 JNI(Java Native Interface)가 해당 운영체제에 맞는 시스템 콜을 호출해준다.

private native void start0();