[시스템프로그래밍/Linux] 1. Introduction

 시스템 프로그래밍이란 운영체제와 같은 커널 및 핵심 라이브러리를 직접 사용하여 하위 레벨에서 동작하는 시스템 소프트웨어를 프로그래밍하는 기술을 의미합니다. 이는 하위 운영체제와 밀접한 연관이 있습니다. 

 

따라서 운영체제(Operating System, OS)의 역할과 OS에서 제공하는 시스템 콜을 이해하고, OS에서 제공하는 시스템 콜의 종류를 파악하여 각 목적에 맞는 시스템 프로그램을 작성하는 방법에 대해 아는 것이 중요합니다. 

 

1. Operating System 

 운영체제란 컴퓨터의 사용자(또는 애플리케이션 프로그램)와 컴퓨터 하드웨어 사이의 중개자 역할을 하는 하나의 큰 프로그램입니다. 

 

🦄 운영체제의 목표

   - 컴퓨터 시스템을 사용하기 편리하게 해 줌

   - 컴퓨터 하드웨어를 능률적으로 사용함

 

🦄 운영체제의 주요 기능

   - Multi-user 환경 : 다양한 유저가 동시 사용이 가능함

   - Process and Scheduling : 여러 프로그램을 동시에 관리

   - User space and Kernel space : 독립적으로 관리

   - Basic and Advanced I/O : 입출력 주변장치에 대한 통로 제공

2. Unix History

 - 1969년 켄 톰슨과 데니 리치에 의해 벨 연구소에서 개발됨 (어셈블리 언어로 작성 -> 호환성 문제)

 - 1973년 C로 다시 쓰임 -> 이로 인해 portable 해져서 OS의 역사를 바꾸게 됨 (이식성, 호환성 있는 시스템으로 발전)

 - 1974년 Thompson, Joy, Haley와 버클리 학생들이 UNIX의 BSD(Berkeley Software Distribution)를 개발함

 - BSD와 "System V"로 분열되어 발전함

 - Linux는 Unix와 유사한 OS임

<이후 발전과정>

 - 1984 4.2 BSD 출시 (TCP/IP) : 네트워크 기능이 추가됨

 - 1986 4.3 BSD 출시 (NFS) : 네트워크 파일 시스템 기능이 추가됨

 - 1991 Linus Torvalds가 Linux 커널 작업을 시작함 -> 리눅스의 탄생

 - 1993 USL vs. BSDi 분쟁 해결 : NetBSD, 그리고 FreeBSD가 만들어짐

 - 1994 단일 UNIX 규격이 소개됨

 - 1995 4.4 BSD-Lite가 출시됨(마지막 CSRG출시) : OpenBSD가 NetBSD로부터 파생됨

 - 2000 Darwin이라는 이름의 리눅스 만들어짐(derived from NeXT, FreeBSD, NetBSD)

 - 2003 Xen; SELinux : 리눅스 + virture machine

 - 2005 Hadoop; DTrace; ZFS; Solaris Containers

 - 2006 AWS ("Cloud Computing" comes full circle)

 - 2007 iOS; KVM appears in Linux

 - 2008 Android; Solaris open sourced as OpenSolaris

3. Unix Philosophy

 - Small is beautiful : 커널은 작을수록 좋다

 - Make each program do one thing well

 - Build a prototype as soon as possible

 - Choose portability over efficiency : 이식성을 더 중요하게 생각한다

 - Store data in flat text files

 - Use shell scripts to increase leverage and potability : 이식성을 위해 shell script 지원

 - Avoid captive user interfaces

 - Make every program a filter

4. Linux History

 - 1983년, GNU Project가 UNIX의 대안으로 출발함 (GNU's Not UNIX)

 - 1985년에 Richard Stollman은 GNU 선언문을 발표해 오픈소스 소프트웨어 진화가 시작됨

 - 1987년 Andrew S. Tanenbaum은 Minix OS를 개발함

 - 1991년 Linus Tovalds가 Minix의 커널 소스를 고쳐 Linux OS를 발표함

<이후 발전과정>

 - Linux first version : 1991.11 (Linus Torvalds)

 - POSIX 1003.1 standard compliance : 유저 프로그래밍 인터페이스의 표준

 - Large areas of functions of System V and BSD 4.3 UNIX

 - On GNU Public Licence : GPL & LGPL(Light GPL) -> "소스코드는 오픈한다"

   Pure application on Linux : no need to open the source

   If you modified an existing OSS, you must open the source

 - Supports most of CPU chips, devices

 - From ver 2.0, supports multiprocessor soystems

 - Linux is widely used for servers and embedded systems

 - From Linux 2.6.x : preemptible kernel

   Enhanced for real-time systems

 - Standard : LSB5.0 (Linux Standard Base: Free Standard Group)

5. Advantage & Weakness

😀 Advantage

   - 오픈소스 : 수많은 개발자들이 개발, beta testing에 동참

      -> 개발자 버전, 안정화 버전, GNU spirit(복사, 수정, 배포가 가능)

   - 개발자 사이트와 유저 그룹(LUG)이 open 되어 있어 정보교환이 가능

   - Royalty free

 

😣 Weakness

   - 너무 빠른 버전 업그레이드가 이루어짐

   - 너무 많은 리눅스 계열 운영체제를 지원하는 회사들

      -> 소스코드가 안정화되지 못함. 새로 개발되는 device driver에 대한 안정화 문제有

   - 숨겨진 특허, 라이선스 문제

6. Distribution, Development, Standardization

🦄 리눅스 배포판

   - Debian계열 (Raspbian, Ubuntu, etc) : 비상업, 비영리적

   - Fedora계열 (Red Hat, etc) : 상업적

   - 이외에도 다양한 다른 배포판들이 존재함(OpenSUSE, Android, etc)

 

🦄 Open 프로젝트

   - www.sourceforge.net 

   - www.linux-foundation.org 

   - GNU, GNOME (Desktop GUI 인터페이스)

   - Fedora : Redhat이 메인 스폰서, 커뮤니티가 open project를 지지함

 

🦄 유명한 프로젝트

   : Apache, Jakarta, etc (웹 서버, 자바 환경)

7. Computer System Overview

기본적으로 컴퓨터 시스템은 하드웨어가 존재합니다. 컴퓨터 하드웨어의 구성요소로는 대표적으로 CPU, Memory, 입출력 장치가 있습니다.

운영체제는 하드웨어를 관리하는 시스템 소프트웨어입니다. 이 운영체제 위에서 애플리케이션 프로그램이 동작하게 됩니다. 시스템 리소스를 사용할 때, 시스템 콜 인터페이스를 이용해 필요한 기능을 운영체제에 요청할 수 있습니다. 

8. Layered Linux Structure

조금 더 구체적으로 리눅스 소프트웨어의 structure 대해 그림을 도식화하면 다음과 같습니다.

운영체제에서 핵심적인 역할을 담당하는 부분이 바로 커널입니다. 이때 핵심적인 역할은 5가지 분류 나뉩니다. 

👉 process management : CPU scheduling

👉 memory management : page replacement, demand paging, virture memory

👉 file system management : file system, swapping block I/O system, disk and tape drivers

👉 device driver management : signal terminal handling, character I/O system, terminal drivers

👉 network management

 

이 커널의 위쪽으로는 시스템 콜 인터페이스를 제공하고, 아래쪽으로는 하드웨어의 커널 인터페이스를 제공합니다. 

시스템 콜 인터페이스는 유저가 커널의 영역을 활용할 수 있도록 제공한 인터페이스입니다. 유저는 시스템 콜을 wrapping 하고 있는 다양한 라이브러리를 가지고 있습니다. 이를 이용해 프로그램을 작성하여 shell, compiler, interpreter을 통해 유저의 요청을 커널에 전달할 수 있습니다. 

하드웨어 커널 인터페이스를 이용하면 마찬가지로 hardware device driver 등의 소프트웨어를 이용하여 하드웨어를 제어할 수 있습니다. 

 

정리하면, 운영체제의 핵심적인 부분은 커널이고 주요 기능으로는 process management, file management, memory menagement, device management, network management가 있습니다.

이런 커널의 핵심 기능을 user level program들이 사용할 수 있도록 제공해주는 인터페이스가 시스템 콜 입니다. 

그것을 다시 shell과 library routines이 wrapping하고 있는 것으로 보아, shell과 library routine을 통해 커널에 접근할 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 또한 이들을 거치지 않고 직접적인 system call을 이용해서도 커널에 접근할 수 있습니다. 

궁극적으로 시스템 프로그래밍은 시스템 콜과 시스템 콜을 레핑 하는 쉘, 라이브러리 루틴을 이용하여 애플리케이션 프로그램을 작성해 시스템 유틸리티를 사용하도록 하는 것입니다. 

9. System Calls vs. Library Calls

유저가 커널의 자원을 사용하는 방법으로는 시스템 콜을 직접 사용하는 방법과, 라이브러리에서 제공하는 시스템 콜 인터페이스를 불러와 사용하는 방법이 있습니다. 

 

🦄 System Calls

   - 커널 코드로 직접 접근하는 entry point가 있음

 

🦄 Library Calls

   - 유저 코드를 원하는 시스템콜 function으로 변화시켜줌

   - API(Application Programming Interface)라고도 함

 

 시스템 자원을 사용하는 유저 어플리케이션 프로그램을 작성하는 방법으로, 운영체제 커널에 있는 자원을 사용하기 위해 시스템 콜을 직접 불러와 사용하는 방법이 있고, 시스템 콜을 라이브러리화 시킨 유저 레벨의 C 라이브러리 함수를 사용해 불러오는 방법도 있습니다. 시스템 콜을 이용해 직접 불러오는 것이 조금 더 효율적이고 직관적인 방법입니다.

 시스템 콜의 모든 것이 라이브러리화 되어있지 않기 때문에 라이브러리화 되어있지 않은 것들은 시스템 콜을 이용해 직접 불러와 주어야 합니다. 

 

예를 들어, read()라는 시스템 콜을 이용해 파일에 있는 데이터를 읽는 상황을 살펴보면

read()를 이용해 시스템 콜로 바로 호출하는 방법과 라이브러리의 fread()를 이용해 파일을 읽어오는 방법이 있습니다. 

read() 시스템 콜을 사용하면 바로 커널에 접근이 가능하고, 라이브러리의 fread()를 사용한다면 유저 프로세스가 system call library를 불러오고, 라이브러리에서 trap routine을 통해 커널로 접근합니다. 

10. System Call by Processes

여러개의 프로세스를 하나의 운영체제 시스템에서 실행하는 상황을 도식화 해보면 다음과 같습니다. 

 시스템 콜을 이용해 원하는 프로그램을 작성한 이후에 작성된 프로그램이 멀티프로세스 환경에서 동시에 동작되어 시스템 콜을 요청하면, 운영체제는 요청된 순서에 맞게 이를 처리해서 각각에 맞는 요청을 전달합니다.