week1_0306.md

• monolithic kernel과 micro kernel의 차이점은 무엇이고, 각각의 장단점은 무엇인가? 그리고, 리눅스 는 둘 중 어디에 가까운가?

  • monolithic kernel

    • 장점

      • 커널의 소스 코드 전체가 동일한 커널 메모리 공간에 적재된다. 따라서 커널 내에서 함수를 호출할 때 따로 통신을 할 필요가 없어 성능면에서 마이크로보다 우수할 수 있다.
      • 커널 공간에 모든 기능들이 적재되어 있으므로, 문맥 교환 비용이 들지 않는다.

    • 단점

      • 커널의 소스 코드 전체가 커다란 정적 바이너리 형태로 디스크에 존재하기 때문에, 커널 모드에서 수행되는 코드의 크기가 마이크로보다 크다. 따라서 큰 메모리 용량을 필요로 한다.
      • 커널 자체가 단일 프로세스이다보니 커널의 모듈화를 제공한 마이크로 커널보다 유지보수가 어려울 수 있고, 특정 부분의 문제가 커널 전체의 문제가 될 수 있다.

  • micro kernel

    • 장점

      • monolithic kernel은 커널의 많은 기능들이 커널 공간에서 실행되므로, 실시간 프로세스가 일반적인 시스템 호출에 의해 방해 받을 가능성이 높다. 그에 반해 micro kernel은 커널의 여러 기능을 커널 공간이 아닌 사용자 공간에서 사용자 애플리케이션처럼 동작하게끔 제공하므로, 높은 우선순위를 가진 실시간 프로세스가 CPU를 차지할 기회를 쉽게 얻을 수 있다.
      • 커널의 모듈화로 유지보수가 용이하고, 특정 프로세스의 문제가 커널 전체의 문제가 되지 않는다.
      • 필요에 따라 동적으로 모듈화된 프로세스를 로드, 삭제할 수 있으므로 유연하다.
      • 커널 공간의 소스 크기가 작아 임베디드에 사용하기 좋다.

    • 단점

      • 프로세스 간 통신에 IPC를 사용해야 하므로, monolithic kernel와는 다르게 통신을 위한 부가 작업이 필요하다.
      • 사용자 공간 <-> 커널 공간 간 문맥 교환 비용이 발생한다.

  • 리눅스는 어디에 가까운가?

    리눅스는 기본적으로 monolithic kernel이다. 그러나 자유의 몸인 리눅스는 micro kernel의 여러 장점들 또한 가져왔다. 즉, 리눅스는 기본적인 monolithic kernel구조에 더해, 모듈화 설계, 선점형, 모듈 동적 로드 등 여러 기능을 추가했다.

    리눅스는 monolithic kernel이지만, micro kernel의 여러 장점들을 가져왔다.

• 리눅스가 Unix like (유닉스와 비슷하면서 유닉스가 아니다)이라고 불리는 이유는 무엇인가?

  • UNIX와 비슷한 이유

    • 리눅스는 유닉스의 여러 설계 철학 (Small is beautiful.) 을 계승하고, 유닉스의 표준인 POSIX(유닉스 API) 를 만족한다.

  • UNIX 아닌 이유

    리눅스는 여타 유닉스 시스템과는 달리, 유닉스 소스를 그대로 물려받지 않았다. 리눅스는 특정한 유닉스를 기반으로 구현되지 않았기 때문에, 탄력적으로 가장 좋은 해결책들을 선택해 적용할 수 있었다. 경우에 따라서는 새로운 해결책을 고안하기도 했다.

    • 전통 유닉스는 monolithic kernel이다. 그에 반해 리눅스는 기본적인 monolithic kernel에 모듈의 동적 로딩 기능을 추가했다.
    • 전통적인 유닉스와는 다르게, 리눅스는 SMP 를 지원한다.
    • 전통적인 유닉스와는 다르게, 리눅스는 선점형 이다.
    • 리눅스는 프로세스와 스레드를 구분하지 않고, 모두 동등한 프로세스로 간주한다. 다만, 자원을 공유하는 프로세스가 있을 뿐이다.

• 커널 메모리는 왜 페이징 기능 을 사용할 수 없는가?

  페이징 은 가상 메모리 에서 사용하는 기법이며, 가상 주소 공간을 동일한 크기의 페이지 로 나누는 것이다. 이후 페이지 는 MMU에 의해 물리 메모리의 프레임 과 맵핑된다. 이러한 과정을 관장하는 게 커널(운영체제) 이다. 그런데 커널 이 자기 자신을 페이징 하는 것이 가능할까?
  
  하나의 예시로, 커널에서는 부동소수점 연산을 간편하게 처리할 수 없다. 사용자 애플리케이션은 부동소수점 연산을 해야 할 때, 커널에게 트랩을 보낸다. 커널은 트랩을 받으면 연산 모드를 부동소수점 모드로 바꾼다. 그러나 커널은 자신의 트랩을 받을 수 없기 때문에, 부동소수점 연산 시 복잡한 과정을 수행하게 된다.
  
  위의 예시에서 볼 수 있듯이, 커널 메모리를 페이징 하지 못하는 이유 또한 MMU와 가상 메모리, 페이징 기능을 담당하는 커널이 자신의 메모리를 페이징 하는 것이 번거로워서 그런 것이라고 판단했다. 이 주제에 대한 토론 후 아직 해결되지 않는 궁금증이 남아있었다.

  커널 메모리가 페이징 기능 을 사용할 수 없다는 것은, 기술적으로 구현이 불가하다는 의미일까, 아니면 구현이 가능하더라도 사용하는 것을 금지한다는 의미일까?

• SMP의 확장성이 낮은 이유는 무엇인가?

  SMP는 컴퓨터의 자원을 여러 프로세서가 동등한 입장에서 접근할 수 있다. 따라서 프로세서의 개수를 늘리면 특정 한도까지는 성능을 끌어올릴 수 있을 것이다. 그러나 한도에 다다른 상태에서 프로세서 개수가 늘어난다면, 모든 프로세서들은 공통의 자원을 공유하기 때문에, 대기 시간이 길어지고 충돌이 발생할 가능성이 높다. 따라서 MPP보다 확장성이 낮다. 이는 Scale Up과 Scale Out의 개념과도 유사하다고 생각할 수 있다.