커널과 시스템 호출

안녕하세요~ 저번 시간에는 처음 보면 다소 생소할 수 있는 '논리 주소공간' 과 'CPU의 실행모드' 에 대하여 알아보았습니다!! 이번 시간에는 운영체제 과목에서 아주 중요한 개념인 '커널'에 대해서 아주~ 자세히 알아볼 예정이구, 커널과 밀접한 연관이 있는 '시스템 호출' 에 대하여 알아보는 시간을 가지겠습니다 ㅎㅎ

1. 커널의 실체

부팅 시 메모리에 적재되는 함수/데이터의 집합
- 컴파일된 바이너리. 보조저장장치(Hard Disk)의 특정 영역에 저장됨.
- 여기서 '함수/데이터' 는 '커널 코드'를 의미
- '함수/데이터'는 '커널 모드'에서 실행되고, 시스템 관리 및 운영을 위해 주로 수행됨.

2. 커널과 관련된 이슈

커널은 스스로 실행되는 프로세스인가?
- X : '시스템 호출'을 통해 호출되는 단순 함수/데이터의 집합
커널은 실행 중이다?
- X : 시스템 호출/인터럽트를 통해 커널 코드/ISR이 실행되고 있을 뿐이다.
커널은 스택이나 힙을 갖는가?
- X : 각 프로세스/스레드가 스택/힙을 소유
  - App이 '커널 코드' 실행 시, 커널 공간에 커널 코드 실행을 위한 스택 생성, 복귀시 해제

3. 응용 프로그램을 위한 라이브러리 유형

라이브러리 (library)
- 응용 프로그램에서 활용하도록 미리 작성된 함수들을 컴파일한 바이너리
라이브러리의 두가지 유형
1. 표준 라이브러리 (standard library)
  - OS나 H/W에 상관없이 이름과 사용법 동일
  - 사용자가 작성하기 힘들거나 번거로운 함수 제공
  - 표준 라이브러리 함수 예) printf(), scanf() ... 등
2. 시스템 호출 라이브러리 (system call API)
  - '시스템 호출'을 진행해 '커널 모드'로 바꾸고, 커널로 진입해서 커널에서 제공하는 함수 실행 (커널의 다양한 기능 수행)
  - OS마다 함수 이름이 다름
  - 시스템 호출 라이브러리 함수 == 시스템 호출 함수 == 커널 API (같은 의미)
  - OS마다 시스템 호출 함수 이름이 다르므로, Windows OS에서 컴파일한 파일은 Windows에서만, Linux에서 컴파일한 파일은 Linux에서만 실행 가능하다.

응용 프로그램의 빌드 과정

응용 프로그램의 실행 과정

4. '시스템 호출' 이란?

사용자 공간의 코드에서 커널 함수(서비스)를 요청하는 과정
- 커널 콜(Kernel Call), 트랩(Trap) 이라고도 부름
- 응용 프로그램이 커널 기능을 활용하도록 제공
- '시스템 호출 라이브러리'를 통해 제공 => OS마다 다르며, 약 200여개 이상 제공

시스템 호출로 커널 코드의 실행 예

5. printf()의 출력 동작

printf() 함수는 표준 라이브러리 함수
printf() 함수를 호출하면 '시스템 호출'이 일어날까?
- 디스플레이에 접근하는 것은 '커널'만 가능
- printf() 함수는 디스플레이에 직접 출력 불가능
- printf()는 C 표준 라이브러리의 버퍼에 출력
- 버퍼가 꽉 차면, printf()는 시스템 호출 함수 write() 호출
- write() 함수는 '시스템 호출 CPU 명령' 실행
- 커널에 작성된 함수가 디스플레이어에 "hello" 출력

6. write() 시스템 호출

7. 시스템 호출 비용

시스템 호출은 일반 함수 호출에 비해 많은 시간/비용 발생
- 시스템 호출을 많이 할 수록 프로그램 실행 속도 저하
fread()와 read() 비교
- 파일에서 1000 바이트 읽기
- fread()는 '표준 입출력 라이브러리 함수', read()는 '시스템 호출 라이브러리 함수'이다.
- fread()는 서브루틴을 돌면서 주기억장치에 있는 입력버퍼에 저장해놓고, 1번의 시스템 호출을 발생시킨다.
- read()는 서브루틴 주기마다 시스템 호출을 발생시켜, 버퍼에 저장한다.
- 통계에 의해 fread()가 read()에 비해 약 8배 빠르다고 한다.