01. 운영체제 Intro

* Operating systems: Three easy pieces를 정리한 내용입니다.

운영체제

운영체제의 기능을 세가지 관점에서 설명한다.

• Virtualization : 시스템의 CPU, 메모리, 저장장치 등을 가상화하여 동작하는 프로그램이 시스템의 자원들을 혼자 사용하는 것처럼 만들어주는 것
• Concurrency : 여러 개의 프로그램이 동시에 수행되더라도 안전하고 효율적으로 자원을 공유할 수 있도록 만들어주는 것
• Persistence : 데이터를 찾기 쉽게 하기 위해 어디에, 어떤 형태로 저장할 것인지 정함

운영체제는 시스템이 정확하고 효율적으로 동작하도록 해야한다.

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Virtualization

• OS는 physical resource (프로세서, 메모리, 디스크 등) 들을 가상화하여 프로그램이 physical resource들을 혼자서 쓰는 것 같은 착각을 줄 수 있다.

System call

• 프로그램이 자원을 사용할 때는 운영체제를 거쳐야하는데, 이때 소통할 수 있는 인터페이스가 system call이다.
• 유저는 시스템 콜을 통해 OS에게 일을 시킬 수 있다. (프로그램 실행, 메모리 접근, 다른 장치 접근 등)

CPU Virtualization

• 프로그램이 수행될 때 다음과 같은 instruction 들이 수행된다.

1. Fetch : 프로세서가 메모리로부터 instruction을 fetch해온다.
2. Decode : 가져온 instruction을 파악한다.
3. Execute : 메모리에 접근하거나, 조건을 체크하거나, 함수로 jump 하는 등의 작업을 수행한다.
4. 다음 instruction으로 넘어가 1번부터 다시 수행한다.

시스템은 많은 수의 virtual CPU를 가지고 있으며 이를 통해 많은 프로그램들이 한번에 돌아가는 것 같은 착각을 줄 수 있다.

Memory Virtualization

• 실제 물리적 메모리는 array of bytes이다.
• OS는 physical memory 주소와 각 프로그램이 실행되면서 사용하는 주소를 분리하여, 각 프로그램이 자신의 own private memory를 가지고 있는 것같은 착각을 준다.

따라서 여러 프로그램이 같은 주소의 메모리를 동시에 독립적으로 사용할 수 있다.

각 프로세스는 자신만의 private virtual address space를 사용하며, 운영체제가 이 address space를 physical memory로 맵핑해주는 일을 수행한다. 

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Concurrency

많은 멀티쓰레드를 사용하는 프로그램들은 concurrency problem을 갖는다. 

예를 들어 전역변수를 1씩 증가시키는 프로그램을 멀티쓰레딩을 통해 수행하면, 각 쓰레드가 증가시킨 횟수의 합만큼 전역변수가 증가되어야할 것으로 기대하지만, 실제로는 이보다 적은 값이 나올 수 있다.

이것은 변수를 증가시키는 연산이 사실은 (값을 메모리에서 레지스터로 load -> 증가 -> 메모리에 다시 저장) 이라는 3가지 instruction으로 나눠서 수행되기 때문이다.

멀티쓰레딩 환경에서 이 3개의 instruction은 atomic하게 수행되지 않는다.

즉 instruction을 수행하는 도중 다른 쓰레드가 끼어들 수 있다.

이 때문에 위와 같은 concurrency 문제가 발생한다. 

 

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Persistent

DRAM과 같은 장치는 값을 volatile하게 저장한다. 

하지만 프로그램은 데이터를 persistent하게 저장할 필요가 있다.

소프트웨어에서는 파일 시스템을 통해 데이터의 영속적인 저장을 수행할 수 있다.

예를 들어 open(), write(), close() 등의 시스템 콜을 이용해 파일시스템을 핸들링할 수 있다.

 

Design Goals

운영체제를 설계하기 위해서는 추상화를 통해 시스템을 사용하기 편리하게 만들어야하며, OS의 오버헤드를 최소화해야한다. 그리고 application 간 isolation을 통해 한 부분의 오동작이 다른 부분에 해를 끼치지 않도록 해야하며, 크래쉬가 발생하지 않고 계속 실행되는 것과 같은 높은 수준의 신뢰성을 제공해야한다.