[리눅스] 운영체제와 커널

목차 (OPEN)

• 📑 들어가며
• 🧩 운영체제란
• ⚙️ 커널이란
• 🔎 운영체제와 커널의 관계
• ✅ 총정리
• 📚 결론

 

 

 

 

📑 들어가며

우리가 매일 쓰는 컴퓨터나 스마트폰을 떠올려보자.

 

겉으로는 브라우저나 메신저, 게임 등의 앱들만 보이겠지만,

그 안에서는 매우 복잡한 부품들이 끊임없이 돌아가고 있다.

 

대표적으로는 CPU, RAM, SSD/HDD, GPU 등이 있는데,

이 모든 것은 사실 단순한 하드웨어 덩어리에 불과하다.

사람이 이 장치들을 제대로 활용하려면, 오늘 알아볼 운영체제(OS)가 반드시 필요하다.

 

 

 

---

🧩 운영체제란

운영체제(Operating System, OS)는 사용자와 하드웨어 사이를 이어주는 다리라고 생각하면 된다.

컴퓨터 안에는 CPU, 메모리, 저장장치, 네트워크 카드 같은 부품들이 있는데, 이 부품들은 0과 1만을 알아들을 수 있다.

그렇기에 사람이나 일반 프로그램이 이러한 부품들을 직접 다루면 위험하고 복잡해지니까 운영체제가 중간에서 이를 대신 처리해주는 것이다.

 

 

운영체제가 하는 큰 역할은 아래와 같다.

• 자원 관리
  여러 프로그램이 동시에 돌아갈 때 CPU 시간을 공정하게 나눠주고, 메모리를 빌려주거나 돌려받고, 디스크 공간을 배분해준다.
• 사용자 편의 제공(추상화)
  "파일에 쓰기", "화면에 표시하기"처럼 쉽고 일관된 기능만 제공하고, 실제 하드웨어 제어의 복잡함은 감춘다.
  (예를 들어 우리는 test.txt 파일에 텍스트를 쓸 수 있다는 것만 알면 되고, SSD의 물리 블록 주소는 알 필요가 없다.)
• 보호 및 안정성 제공
  한 프로그램이 다른 프로그램의 메모리를 망가뜨리거나, 권한 없이 중요한 파일을 건들지 못 하도록 보안 규칙을 지켜준다.

 

즉, 쉽게 말하자면 OS는 컴퓨터의 관리자 + 번역가 역할을 한다고 보면 된다.

우리가 단순히 "이 파일 열고 싶어"라고 하면, OS가 알아서 이 말을 하드웨어가 이해할 수 있는 신호로 바꿔서 실행하고, 그 결과를 다시 사용자에게 돌려주는 것이다.

 

 

---

⚙️ 커널이란

커널(Kernel)은 운영체제의 핵심 엔진이다.

운영체제의 구성요소로는 커널 말고도 셸(명령어 창), 기본 유틸리티(편집기 등), 라이브러리 같은 것들이 있지만,

이 중에서 하드웨어를 직접 만지고 자원을 진짜로 관리하는 부분은 커널이다.

 

 

이러한 커널이 구체적으로 하는 일은 크게 네 가지로 정리할 수 있다.

• 프로세스 관리
  프로그램이 셀행되면 프로세스가 만들어지게 되는데, 커널은 어떤 프로세스가 언제, 어느 CPU 코어에서, 얼마나 실행될지를 정해준다. (스케줄링)
• 메모리 관리
  각 프로세스에게 독립적인 가상 주소 공간을 줘서 A 프로그램이 B 프로그램 메모리를 침범하지 못 하도록 해준다.
• 파일 시스템
  커널은 VFS(가상 파일 시스템)라는 공통 계층을 통해서 ext4, xfs, NTFS 같은 서로 다른 파일시스테믈 하나의 "파일"이라는 인터페이스로 보여준다.
  그리고 실제로는 프로그램이 open, read, write 같은 요청을 하면, 커널은 페이지 캐시에 이를 먼저 반영하고, 적절한 시점에 SSD나 HDD로 내려보내주는 것이다.
• 장치 드라이버와 보안
  키보드, 마우스, 그래픽카드, 네트워크 카드, SSD 등 모든 장치는 각자 드라이버가 있어야 움직일 수 있는데,
  커널은 이 드라이버들을 통해서 각각의 장치와 대화한다.
  또한, 동시에 사용자, 그룹, 권한 같은 보안 규칙을 지키고, 만약 문제가 생기면 시스템을 보호해주기도 한다.

 

 

---

🔎 운영체제와 커널의 관계

운영체제와 커널의 관계를 순서대로 정리해서 하나의 흐름으로 정리해보면 아래와 같다.

 

1) 프로그램 실행 시작

사용자가 아이콘을 누르거나 셸에서 명령을 치면, 운영체제는 새 프로세스를 만든다.

이때 커널이 가상 메모리 구조를 잡고(코드, 데이터, 힙, 스택, 공유라이브러리),

첫 스레드를 CPU에 태워서 사용자 모드로 실행시킨다

 

 

2) 프로그램이 OS에 도움 요청

프로그램은 하드웨어를 직접 만질 수 없기 때문에 커널에게 system call로 부탁을 하게 된다.

예를 들면, open("test.txt"), write(fd, buf, n), mmap, fork 같은 요청이 있을 것이다.

이러한 시스템콜이 실행되면 모드 전환(context switch)이 일어나고, 사용자 모드에서 커널 모드로 바뀌게 된다.

 

 

3) 커널이 실제 일을 처리

예를 들어서 open 명령어의 경우

경로를 해석하고 권한을 확인한 뒤, 그 파일을 대표하는 inode를 찾아서 현재 프로세스에 파일 디스크립터를 배정해준다.

 

write라면, 사용자 버퍼에서 데이터를 copy_from_user로 커널 메모리(페이지 캐시)에 복사하고,

페이지를 dirty(수정됨)로 표시한 뒤 적절한 시점에 디스크로 내려보내준다.

 

malloc이 메모리풀에 남은 메모리가 부족해서 커널에 요청을 올리게 되면,

커널의 buddy allocator가 물리 메모리를 떼어주고, 페이지 테이블을 갱신해서 가상 주소로 연결해준다.

 

 

4) 사용자 모드로 복귀

커널이 위와 같은 일들을 마치면 시스템콜이 끝나고, CPU는 다시 사용자 모드에서 프로그램을 계속 실행한다

그리고, 이 과정에서 필요하면 다른 프로세스로 컨텍스트 스위치가 일어나기도 한다.

 

.

위와 같은 흐름 덕분에 우리는 "파일 저장"처럼 단순한 일을 하더라도

보안이 켜지고, 속도와 효율이 확보되며, 하드웨어마다 동작 방식이 다르다는 사실을 신경쓸 필요 없이 같은 인터페이스로 사용할 수 있는 것이다.

 

 

운영체제(OS): 커널 + 라이브러리 + Shell + 유틸리티 전체
커널(Kernel): 하드웨어를 직접 다루는 엔진

 

 

---

✅ 총정리

• 운영체제(OS)
  컴퓨터를 쓰게 해주는 전체 환경
  ex. Ubuntu, Windows, Android 등
• 커널(Kernel)
  OS의 핵심 엔진
  하드웨어를 직접 제어하고, 자원과 보안 등을 책임짐
• 시스템콜(System Call)
  프로그램이 커널 기능을 쓰기 위해 지나가는 공식 통로

 

• OS가 없으면 하드웨어는 단순히 부품일 뿐, 사람이 쓰기는 힘들다.
• 커널이 하드웨어를 직접 다루며, 안전하고 공정하게 자원을 관리해준다.
• 프로그램은 시스템콜을 통해서만 커널에 요청할 수 있고, 커널은 그 요청을 안전하게 수행해준다.

 

 

---

📚 결론

이번에 리눅스 수업의 첫 강의 내용을 정리하면서

단순히 컴퓨터를 켜면 그냥 돌아가는 소프트웨어정도로 생각했던 운영체제가

사실은 모든 하드웨어와 소프트웨어의 조율자 역할을 하고 있었음을 깨달을 수 있었다.

 

특히 인상 깊었던 점이 두 가지가 있었는데 아래와 같다.

• user space와 kernel space의 분리를 통해 보안성과 안정성을 확보한다는 점
  프로그램이 직접 하드웨어를 건드리지 못하게 하고, 반드시 시스템콜을 통해서만 접근하게 한다는 원칙이 OS 설계에서 가장 중요한 부분이라는 것을 깨달았다.
• 우리가 쉽게 쓰는 open, malloc, write 같은 함수 한 줄 뒤에는, 커널 내부에서 수많은 복잡한 절차와 최적화가 이루어지고 있다는 점
  이 덕분에 개발자는 하드웨어의 세부 구조를 몰라도 일관된 인터페이스로 안전하게 프로그램을 작성할 수 있는 것이었다.

 

이러한 부분에서 지식이 많이 부족해서 공부하는 데에 시간이 굉장히 오래 걸렸지만,

앞으로 개발을 할 때에는 오늘 정리했던 내용을 바탕으로 '내 코드 뒤에서 OS가 어떤 이을 하고 있는가'를 항상 의식함으로써 더 깊이 있는 선택을 할 수 있도록 성장해야겠다.

 

이러한 태도를 기른다면 실제 서비스 개발에서 성능 최적화, 자원 관리, 보안 설계 같은 실질적인 문제를 해결하는 데에 큰 강점이 되지 않을까 슬쩍 기대해본다 😋