시스템 콜 (System Call) - 2. 시스템 콜의 개념을 쉽게 이해하기

2장: 시스템 콜의 개념을 쉽게 이해하기

---

1. 시스템 콜은 운영체제와 대화하는 방법

앞서 1장에서 운영체제가 컴퓨터 하드웨어와 프로그램 사이에서 중개 역할을 한다고 배웠습니다. 하지만 프로그램이 운영체제와 대화하려면 어떻게 해야 할까요? 바로 **시스템 콜(System Call)**을 사용해야 합니다.

💡 시스템 콜이란?

• 프로그램이 운영체제에게 특정 작업을 요청하는 방법입니다.
• 파일을 열거나, 데이터를 저장하거나, 네트워크를 통해 정보를 주고받을 때 사용됩니다.
• 운영체제의 보호 아래에서 안전하게 하드웨어를 사용할 수 있도록 도와줍니다.

📌 시스템 콜이 필요한 이유

1. 보안: 프로그램이 직접 하드웨어를 조작하면 시스템이 불안정해지고, 악성 프로그램이 데이터를 조작할 위험이 있습니다. 시스템 콜을 사용하면 운영체제가 이를 통제합니다.
2. 안정성: 운영체제가 직접 하드웨어를 관리하므로, 프로그램이 실수로 중요한 데이터를 손상시키는 일이 줄어듭니다.
3. 일관성: 운영체제가 제공하는 기능을 사용하면, 프로그램을 여러 운영체제에서 쉽게 실행할 수 있습니다.

📢 프로그램과 운영체제의 관계

운영체제가 없다면 프로그램이 직접 하드웨어를 조작해야 합니다. 하지만 운영체제가 있으면 프로그램은 시스템 콜을 통해 하드웨어를 제어할 수 있습니다.

📍 예를 들어, 파일을 저장하는 과정에서 프로그램이 직접 하드디스크의 데이터를 조작하는 것이 아니라, 운영체제에게 "이 파일을 저장해 주세요"라고 요청하는 것입니다.

---

2. 비유로 이해하는 시스템 콜

🍽️ 시스템 콜을 식당에서 주문하는 과정에 비유하기

시스템 콜을 이해하기 위해 식당에서 음식을 주문하는 상황과 비교해 봅시다.

💡 손님(프로그램)과 식당(운영체제)

1. 손님(프로그램)이 식당(운영체제)에 들어와서 음식을 주문하려고 합니다.
2. 하지만 손님은 직접 주방(하드웨어)으로 들어가 요리를 할 수 없습니다.
3. 대신, 종업원(시스템 콜)에게 주문을 합니다.
4. 종업원은 주방장(운영체제 커널)에게 요청을 전달합니다.
5. 주방장은 요리를 완성하고, 종업원은 이를 손님에게 가져다줍니다.

📢 이 비유를 시스템 콜에 적용해 보면

• 손님(프로그램): 특정 작업(파일 저장, 데이터 전송 등)을 하고 싶은 애플리케이션.
• 종업원(시스템 콜): 운영체제와 대화하는 역할, 요청을 운영체제에 전달.
• 주방장(운영체제 커널): 실제로 파일을 저장하고, 데이터를 전송하는 등의 작업을 처리.
• 주방(하드웨어): 실제로 프로그램이 사용하려는 리소스(CPU, 메모리, 디스크, 네트워크 등).

이 비유에서 중요한 점은 손님이 직접 주방에 들어가 요리할 수 없다는 것입니다. 즉, 프로그램이 직접 하드웨어를 조작할 수 없고, 운영체제를 통해서만 접근할 수 있다는 개념과 동일합니다.

---

3. 사용자 모드와 커널 모드란?

운영체제와 시스템 콜을 이해하려면 **사용자 모드(User Mode)**와 **커널 모드(Kernel Mode)**라는 개념을 알아야 합니다.

📌 운영체제의 두 가지 모드

컴퓨터의 CPU는 두 가지 모드에서 실행됩니다.

1. 사용자 모드(User Mode)
   • 일반적인 프로그램(웹 브라우저, 게임, 텍스트 편집기 등)이 실행되는 모드입니다.
   • 이 모드에서는 하드웨어에 직접 접근할 수 없습니다.
   • 프로그램이 시스템 콜을 사용하여 운영체제에게 요청을 보내야 합니다.
2. 커널 모드(Kernel Mode)
   • 운영체제의 핵심 부분이 실행되는 모드입니다.
   • 이 모드에서는 CPU, 메모리, 디스크, 네트워크 등 모든 하드웨어에 직접 접근할 수 있습니다.
   • 시스템의 안정성과 보안을 유지하기 위해 사용자 프로그램이 직접 커널 모드에서 실행될 수 없습니다.

💡 사용자 모드와 커널 모드의 차이

특징	사용자 모드(User Mode)	커널 모드(Kernel Mode)
실행 주체	일반 프로그램 (예: 웹 브라우저, 게임)	운영체제 (커널)
하드웨어 접근	❌ 불가능	✅ 가능
시스템 리소스 제어	❌ 직접 불가능	✅ 가능
실행 속도	상대적으로 빠름	보안 점검 때문에 다소 느림

---

4. 시스템 콜이 실행되는 과정 (컨텍스트 스위칭 포함)

1. 프로그램이 시스템 콜을 호출하면 CPU는 사용자 모드(User Mode)에서 커널 모드(Kernel Mode)로 전환됩니다.
2. 운영체제가 요청을 처리하고, 필요한 작업(예: 파일 읽기, 데이터 전송 등)을 수행합니다.
3. 작업이 끝나면 CPU가 다시 사용자 모드로 전환되어 프로그램이 계속 실행됩니다.
4. 이 과정에서 컨텍스트 스위칭(Context Switching)이 발생합니다.

⚡ 컨텍스트 스위칭이란?

컨텍스트 스위칭(Context Switching)은 CPU가 실행 중인 프로그램의 상태(컨텍스트)를 저장하고, 다른 작업(운영체제의 시스템 콜 처리 등)으로 전환한 후, 다시 원래 프로그램으로 돌아오는 과정입니다.

📍 시스템 콜을 호출하면 CPU는 현재 실행 중인 프로그램의 상태를 저장한 후, 운영체제의 커널 코드로 전환합니다.
📍 작업이 완료되면 다시 프로그램의 상태를 복원하고, 사용자 모드에서 실행을 계속합니다.

이 과정이 필요한 이유는 운영체제가 여러 프로그램을 동시에 실행하고 관리해야 하기 때문입니다. CPU는 순간순간 다른 프로그램이나 운영체제의 작업을 처리해야 하므로, 컨텍스트를 저장하고 복원하는 작업이 필수적입니다.

---

🚀 정리 및 핵심 요약

✅ 시스템 콜은 운영체제와 프로그램이 대화하는 방법이다.
✅ 프로그램이 하드웨어를 직접 조작할 수 없기 때문에, 운영체제에게 요청하는 방식(시스템 콜)을 사용한다.
✅ 식당 비유를 통해, 시스템 콜이 운영체제에게 요청을 전달하는 역할을 한다는 것을 이해할 수 있다.
✅ CPU에는 사용자 모드(User Mode)와 커널 모드(Kernel Mode)가 있으며, 프로그램이 시스템 콜을 호출하면 커널 모드에서 운영체제가 요청을 처리한다.
✅ 시스템 콜 실행 과정에서 컨텍스트 스위칭(Context Switching)이 발생하며, CPU가 실행 중인 프로그램의 상태를 저장하고 복원하는 작업이 수행된다.