운영체제(OS)-가상화 (week1)

프로그램이 실행될 때 무슨 일이 일어나는가?

• Fetch: 프로세서(cpu)는 메모리로부터 지시사항(명령어)을 가져온다.
• Decode: 이게 어떤 지시인지 밝힌다. CPU가 이해할 수 있는 언어(ISA)로 해석하는 과정임.
• Execute: 실제로 명령을 수행.
• move on: 프로세서는 다음 명령어로 이동하여 이 과정 계속 반복

 

OS의 역할

• 프로그램이 잘 돌아가도록 함.
• 프로그램들에게 메모리(자원) 할당, 배분함.
• 프로그램들이 장치들과 상호작용 되게 함.
• 시스템이 올바르고 효율적이게 작동하도록 한다.

프로그램 실행?  >  CPU 할당         /       프로그램들이 동시에 데이터와 명령들을 접근?  >  메모리 공유

프로그램들이 장치에 접근?  >  디스크 분배

 

"가상화(Virtualization)"

운영체제는 물리적 자원(Processor, memory, disk)을 가져와서 가상 형태로 변환한다. (OS는 때때로 '가상 머신'이라 부르기도 함)

CPU 가상화: CPU 한 개가 무한한 수의 CPU가 동시에 돌아가는 것처럼 만들어 많은 프로그램들이 동시에 돌아가는 거서럼 보이게한다. CPU는 한 번에 한 줄씩만 실행할 수 있는데, OS가 아주 빠르게 이 작업을 중단시키고 다른 프로그램의 코드를 가져오게(Fetch) 만들어오는 것을 빠르게 번갈아 실행, 여러 프로그램이 동시에 도는 것처럼 속인다.

메모리 가상화: CPU가 메모리에서 명령어를 가져올 때(Fetch), 실제 물리적 주소가 아닌 OS가 만든 가상 주소를 참조하게 하여 프로그램들을 서로 격리시킨다. 물리적 메모리는 바이트 배열이며, 프로그램은 모든 데이터 구조를 메모리에 저장한다.
read memory(load): 데이터에 접근하기 위해 주소 지정
write memory(store): 주어진 주소에 기록할 데이터를 지정.

 

System Call

• 사용자가 OS에게 뭘 할지 말하도록 도움
• OS는 인터페이스를 제공함 (APIs, standard library)
• 전형적인 OS는 백 여개의 시스템 콜을 내보낸다. (프로그램 실행, 메모리 접근, 장치들 접근)

cpu.c 코드>>

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/time.h> //[리눅스전용] 시간 관련 함수
#include <assert.h> //조건검증
#include "common.h" //커스텀 헤더

int
main(int argc, char* argv[])
{
	if (argc != 2) { //문자열 입력안하면 에러 메시지 + 종료
		fprintf(stderr, "usage: cpu <string>\n");
		exit(1);
	}
	char* str = argv[1]; //입력받은 첫 문자열을 str에 저장
	while (1) {
		Spin(1);
		printf("%s\n", str);
	}
	return 0;
}

복습 포인트: argc는 인자 개수(실행부터 프로그램명을 인자 1개로 침), argv는 입력한 문자열 배열

 

 

mem.c 코드>>

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "common.h"

int main(int argc, char* argv[])
{
	int* p = malloc(sizeof(int));

	assert(p != NULL);
	printf("(%d) address of p: %08x\n", getpid(), (unsigned)p);

	*p = 0;
	while (1) {
		Spin(1);
		*p = *p + 1;
		printf("(%d) p: %d\n", getpid(), *p);
	}
	return 0;
}

1. getpid()의 정체와 역할

정의: 현재 실행 중인 프로세스의 **고유 번호(PID, Process ID)**를 가져오는 함수다.

PID란?: 운영체제가 수많은 프로세스를 구분하기 위해 각 프로세스에 부여하는 고유한 숫지 이름표다.

소속: 리눅스 환경에서 #include <unistd.h>를 통해 사용할 수 있는 **시스템 콜(System Call)**이다.

 

관련 함수)

getppid(): 부모 프로세스의 ID를 가져옴(Parent PID)

fork(): 새로운 프로세스 만들 때, 부모에게는 자식의 PID를 알려주고 자식에게는 0을 아려주어 자기가 누구인지 알게함.

2. mem.c 코드에서 구체적인 쓰임새

신분증 출력: printf("(%d) address of p: ...", getpid(), ..) 문장은 "지금 이 메시지를 찍는 프로세스의 번호는 **(PID)**이고, 내가 가진 p의 주소는 이거야"라고 말하는 것과 같다.

가상화 증명: 이 프로그램을 동시에 실행(&붙여서 백그라운드 실행을 같이)하면 각각의 getpid() 값은 다르지만 p의 주소값은 똑같이 나온다.

결론: "번호가 다른 두사람(PID 다름)이 각자 자기 집의 101호(가상 주소 동일)를 쓰고 있는데, 실제로는 서로 다른 실제 집(물리 메모리)에 살고 있다"는 것을 보여주는 실습. 

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The Problem of Concurrency(병행성 문제)

운영체제가 여러 작업을 동시에 처리하려고 할 때 발생하는 까다로운 문제.

쉽게 말해 "두 명 이상의 작업자가 하나의 데이터를 동시에 고치려다가 값이 꼬여버리는 현상"

 

CPU 가상화의 부작용: 여러 프로그램을 동시에 돌리는 것처럼 보이게 하려고 CPU를 번갈아 쓰게 했더니(Virtualizing CPU), 하필 계산 중간에 끊겨서 데이터가 꼬이는 부작용이 생긴 것

 

실습 thread.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "common.h"

volatile int counter = 0; //모든 스레드가 공유해서 사용하는 변수. 
//volatile은 컴파일러에게 "이 변수는 언제든 값이 변할 수 있으니 함부로 최적화하지마라"고 경고하는 역할함
int loops;

void *worker(void *arg) {
	int i;
    for (i = 0; i < loops; i++) {
    	counter++;
        }
        return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
	if (argc != 2) {
    	fprintf(stderr, "usage: threads <value>\n");
        exit(1);
    }
    loops = atoi(argv[1]);
    pthread_t p1, p2;
    printf("Initial value : %d\n", counter);
    
    Pthread_create(&p1, NULL, worker, NULL);
    Pthread_create(&p2, NULL, worker, NULL);
    Pthread_join(p1, NULL);
    Pthread_join(p2, NULL);
    printf("Final value : %d\n", counter);
    return 0;
 }

 

병행성 문제를 보여줌. 두 명의 작업자(스레드)가 하나의 공유 자원(counter)을 동시에 건드릴 때 어떤 대참사가 발생하는지 증명하는 코드

 

 이 코드를 컴파일해서 실행하면 다음과 같은 현상을 목격하게 됩니다.

1. 적은 횟수 실행 시: ./thread 1000을 입력하면 결과가 2000으로 잘 나옵니다. 너무 순식간에 끝나서 충돌이 안 일어난 거죠.
2. 많은 횟수 실행 시: ./thread 100000을 입력하면 결과가 200,000이 아니라 143,012 같은 엉뚱한 숫자가 나옵니다. 심지어 실행할 때마다 결과가 계속 바뀝니다.

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3. 왜 이런 일이 벌어질까? (원자성 결여)

CPU가 counter++를 수행할 때, 우리 눈엔 한 줄이지만 실제로는 다음의 **3단계(Instruction)**로 쪼개서 일하기 때문.

1. Load: 메모리에 있는 counter 값을 가져와서 CPU 레지스터에 저장한다.
2. Increment: 레지스터에 있는 값에 1을 더한다.
3. Store: 더해진 결과값을 다시 메모리의 counter 위치에 저장한다.

대참사 시나리오:

• 스레드 1이 값을 '100'으로 읽어왔는데(Load), 갑자기 **문맥 교환(Context Switch)**이 일어나서 스레드 2에게 CPU를 뺏긴다.
• 스레드 2도 아직 업데이트 안 된 '100'을 읽어온다.
• 두 스레드 모두 각자 1을 더해 '101'을 만들고 메모리에 쓴다.
• 결과적으로 1이 두 번 더해져서 102가 되어야 하는데, 메모리에는 101만 남게 된다.

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4. 운영체제 관점에서의 교훈

이 코드를 통해 전달하고자 하는 메시지는 명확합니다.

 

원자성(Atomicity): 계산 중간에 방해받지 않고 한 번에 끝내는 장치가 필요하다는 것. 운영체제에서 원자적이라는 말은 "더 이상 쪼갤 수 없는 하나의 단위" 라는 뜻. 어떤 일이 시작되면 중간에 절대 끊기지 않고 끝까지 완료되거나, 아니면 아예 시작조차 안 된 상태로 남는 것이 원자적 실행. (비유: 송금, 입금은 중간에 멈추면 안되는 하나의 세트(원자적)이어야 함.)

 

공유 자원 관리: 여러 프로세스가 동시에 자원을 공유할 때(Sharing resources), OS가 이를 제대로 통제하지 않으면 결과가 예측 불가능해진다는 점.

 

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Persistence (지속성)

HW와 SW 모두 데이터를 지속적으로 저장하는게 필요하다.

HW: 입출력 장치(HDD, SSD) / SW:  파일 시스템이 디스크 관리, 사용자가 만든 파일들 저장하는 역할

운영체제는 디스크에 데이터를 쓰기 위해 '새 데이터가 디스크의 어느 위치에 저장될지 결정', '기본 저장 장치에 I/O 요청 전송', '파일 시스템은 쓰기 작업 중 시스템 충돌을 처리', '저널링 또는 쓰기 시 복사', '디스크 쓰기 순서 신중히 지정' 등을 한다.

 

운영체제 설계의 5대 목표 (Design Goals)

 

① 추상화 구축 (Build up Abstraction)

• 의미: 복잡한 하드웨어를 사용자가 쓰기 편한 가짜 모습(Virtual form)으로 바꾸는 것입니다.
• 비유: 복잡한 엔진 구조를 몰라도 '핸들'과 '페달'만 알면 운전할 수 있게 만드는 것과 같습니다.

 

② 고성능 제공 (Provide High Performance) 성능 저하 XXX

• 의미: 운영체제가 하드웨어를 관리하느라 정작 사용자의 프로그램이 느려지는 일을 최소화하는 것입니다.
• 비유: 식당 지배인이 주문 정리를 너무 꼼꼼히 하느라 요리가 늦게 나오면 안 되는 것과 같습니다.

 

③ 애플리케이션 간의 보호 (Protection / Isolation) 침범 XXX

• 의미: 한 프로그램이 사고를 쳐도 다른 프로그램이나 OS 본체에는 영향을 주지 않도록 격리하는 것입니다.
• 비유: 식당의 한 테이블에서 물을 쏟아도 다른 테이블 손님의 신발이 젖지 않게 칸막이를 치는 것입니다.

 

④ 높은 신뢰성 (High degree of Reliability)

• 의미: 운영체제는 멈추지 않고 365일 24시간 계속 돌아가야 한다는 원칙입니다.

 

⑤ 기타 이슈 (Energy, Security, Mobility)

• 의미: 에너지를 아끼고(배터리 효율), 보안을 지키며, 이동 중에도 잘 작동해야 합니다

 

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운영체제의 역사 1G

빈 박스!

 

한 번에 작업 하나만!

이 떄부터 칩 점점 좋아짐, 디스크 생김, ISA 등장, 컴퓨터 구조 개념 생김!

스케쥴링 개념이 들어섰다. 2세대는 한 번에 업무 한 개였다.

CPU 점점 좋아짐(듀얼, 쿼드, 옥타코어..) OS의 GUI 점점 좋아짐 등등