[OS] macOS, iOS 와 Android 운영체제

학습할 교재

 

macOS와 iOS

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Apple의 macOS운영체제는 주로 데스크톱 및 랩톱 컴퓨터 시스템에서 실행되도록 설계되었으며 iOS는 iPhone 스마트폰 및 iPad 태블릿 컴퓨터용으로 설계된 모바일 운영체제입니다. 구조적으로 macOS와 iOS는 공통점이 많으므로 공유하는 내용과 서로 다른 점을 강조하여 함께 제시합니다. 이 두 시스템의 일반적인 아키텍처는 아래의 이미지와 같습니다.

Apple의 macOS와 iOS운영체제의 구조

다양한 층의 주요 특징은 다음과 같습니다.

• 사용자 경험 층: 이 층은 사용자가 컴퓨팅 장치와 상호 작용할 수 있는 소프트웨어 인터페이스를 정의합니다. macOS는 마우스 또는 트랙패드 용으로 설계된 Aqua 사용자 인터페이스를 사용하는 반면, iOS는 터치 장치용으로 설계된 Springboard 사용자 인터페이스를 사용합니다.
• 응용 프로그램 프레임워크 층: 이 층에는 Cocoa 및 Cocoa Touch 프레임워크가 포함되며 Objective-C 및 Swift 프로그래밍 언어에 대한 API를 제공합니다. Cocoa와 Cocoa Touch의 주요 차이점은 전자는 macOS 응용 프로그램 개발에 사용되고 후자는 iOS가 터치스크린과 같은 모바일 장치에 고유한 하드웨어 기능을 지원하는 데 사용한다는 것입니다.
• 핵심 프레임워크: 이 층은 Quicktime 및 OpenGL을 포함한 그래픽 및 미디어를 지원하는 프레임워크를 정의합니다.
• 커널 환경: Darwin이라고 불리는 이 환경에는 Mach 마이크로커널과 BSD UNIX 커널이 포함됩니다.

위 이미지에 도시된 것처럼 응용 프로그램은 사용자 경험 기능을 이용하거나 이 기능을 우회하여 응용 프로그램 프레임워크 또는 핵심 프레임워크와 직접 상호 작용하도록 설계될 수 있습니다. 또한 응용 프로그램은 프레임워크를 완전히 버리고 커널 환경과 직접 통신할 수 있습니다.(이 후자의 경우의 예는 사용자 인터페이스 없이 POSIX 시스템 콜을 수행하도록 작성된 C 프로그램입니다.)

macOS와 iOS의 중요한 차이점은 다음과 같습니다.

• macOS는 데스크톱 및 랩톱 컴퓨터 시스템용이므로 Intel 아키텍처에서 실행되도록 컴파일됩니다. iOS는 모바일 장치용으로 설계되었으므로 ARM 기반 아키텍처용으로 컴파일됩니다. (이제 m1 아키텍처도 추가되었으니 바뀌어야 할 것 같습니다.) 마찬가지로 iOS 커널은 전원 관리 및 공격적인 메모리 관리와 같은 모바일 시스템의 특정 기능과 요구를 해결하기 위해 약간 수정되었습니다. 또한 iOS에는 macOS보다 더 엄격한 보안 설정이 있습니다.
• iOS 운영체제는 일반적으로 macOS보다 개발자에게 훨씬 더 제한적이며 더 폐쇄적일 수도 있습니다. 예를 들어, iOS는 iOS에서 POSIX 및 BSD API에 대한 액세스를 제한하는 반면 macOS에서 개발자는 공개적으로 사용할 수 있습니다.

이제 Darwin에 초점을 맞춰보겠습니다. Darwin은 주로 Mach 마이크로커널과 BSD UNIX 커널로 구성된 계층화된 시스템입니다. Darwin의 구조는 아래에 이미지와 같습니다.

Darwin의 구조

  운영체제 대부분은 UNIX 및 Linux 시스템에서 표준 C 라이브러리를 통하는 것처럼 커널에 대해 하나의 시스템 콜 인터페이스를 제공하는 반면 Darwin은 Mach 시스템 콜(트랩이라고 함)과 BSD 시스템 콜(POSIX 기능 제공) 두 개의 시스템 콜 인터페이스를 제공합니다. 이러한 시스템 콜에 대한 인터페이스는 표준 C 라이브러리뿐만 아니라 네트워킹, 보안 및 프로그래밍 언어 지원을 제공하는 라이브러리를 포함하는 풍부한 라이브러리 집합입니다.

 시스템 콜 인터페이스 아래에서 Mach는 메모리 관리, CPU 스케줄링 및 메시지 전달 및 원격 프로시저 호출(remote procedure call, RPC)과 같은 프로세스 간 통신(Inter Process Communication, IPC) 기능을 포함한 기본 운영체제 서비스를 제공합니다. Mach에서 제공하는 대부분의 기능은 커널 추상화를 통해서 사용 가능합니다. 이 추상화에는 태스크(Mach 프로세스), 스레드, 메모리 객체 및 포트(IPC에 사용)가 포함됩니다. 예를 들어, 응용 프로그램은 BSD POSIX fork() 시스템 콜을 사용하여 새 프로세스를 생성할 수 있습니다. Mach는 커널 내에서 프로세스를 나타내기 위하여 태스크 커널 추상화를 사용합니다. 

 Mach 및 BSD 외에도 커널 환경은 장치 드라이버 및 동적 적재 가능 모듈(macOS는 커널 확장 또는 kext라고 함) 개발을 위한 I/O키트를 제공합니다.

 Apple Darwin 운영체제는 공개 소스로 배포되었습니다. 그 결과 X-11 윈도 시스템 및 추가 파일 시스템 지원과 같은 다양한 프로젝트가 Darwin에 부가적인 기능을 추가하였습니다. 그러나 Darwin과 달리 Cocoa 인터페이스와 macOS 응용프로그램 개발에 사용할 수 있는 다른 독점적 Apple 프레임워크는 비공개 상태입니다.

 

Android

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Android 운영체제는 Open Handset Alliance (Google이 주도)가 설계하였으며 Android 스마트폰과 태블릿을 위해 개발되었습니다. iOS가 Apple의 모바일 장치에서 실행하기 위해 설계되었고 소스가 공개되지 않은 데 반해, Android는 다양한 모바일 플랫폼에서 실행되며 공개 소스입니다. 공개 소스라는 이유가 빠르게 인기가 높아졌던 이유 중 일부분을 차지합니다. Android의 구조는 아래의 이미지와 같습니다.

Google Android의 구조

 Android는 그래픽, 오디오 및 하드웨어 기능을 지원하는 다양한 프레임워크를 제공하는 계층화된 소프트웨어 스택이라는 점에서 iOS와 유사합니다. 그 결과 이러한 기능은 다양한 Android 지원 장치에서 실행되는 모바일 응용 프로그램을 개발하기 위한 플랫폼을 제공합니다.

 Android 장치의  소프트웨어 설계자는 Java 언어로 응용 프로그램을 개발하지만 일반적으로 표준 Java API를 사용하지 않습니다. Google은 Java 개발을 위해 별도의 Android API를 설계하였습니다. Java 응용 프로그램은 Android RunTime(ART)에서 실행할 수 있는 형식으로 컴파일됩니다. ART는 Android용으로 설계되어 메모리와 CPU 처리능력이 제한적인 모바일 장치에 최적화된 가상 머신입니다. Java 프로그램은 우선 Java 바이트코드 .class 파일로 컴파일된 후 실행 가능한 .dex 파일로 변환됩니다. 많은 Java 가상 머신이 응용 프로그램 효율성을 향상하기 위해 JIT(just-in-time) 컴파일을 수행하는 반면, ART는 AOT(ahead-of-time) 컴파일을 수행합니다. 이제 .dex 파일은 장치에 설치될 때 해당 기계어 코드로 컴파일되어 ART에서 실행될 수 있게 됩니다. AOT 컴파일은 모바일 시스템에 중요한 기능인 전력 소비를 줄이면서 더 효율적인 응용프로그램 실행을 가능하게 합니다.

 Android 개발자는 개발자가 가상 머신을 우회할 수 있게 하는 Java 네이티브 인터페이스(또는 JNI)를 사용하는 Java 프로그램을 작성하여 특정 하드웨어 기능에 액세스 할 수 있는 프로그램을 작성할 수 있습니다. JNI를 사용하여 작성된 프로그램은 일반적으로 한 하드웨어 장치에서 다른 하드웨어 장치로 이식할 수 없습니다.

 Android 응용 프로그램에서 사용 가능한 네이티브 라이브러리 집합에는 웹 브라우저(webkit), 데이터베이스 지원(SQLite) 및 네트워크 소켓(예: SSL)을 개발하기 위한 프레임워크가 포함됩니다.

 Android는 거의 무제한의 하드웨어 장치에서 실행될 수 있으므로 Google은 하드웨어 추상화 계층 또는 HAL을 통해 물리적 하드웨어를 추상화하기로 선택하였습니다. HAL은 카메라, GPS 칩 및 기타 센서와 같은 모든 하드웨어를 추상화하여 특정 하드웨어와 상관없이 일관된 뷰를 응용 프로그램에 제공합니다. 물론 이 기능을 통해 개발자는 다른 하드웨어 플랫폼에서 이식 가능한 프로그램을 작성할 수 있습니다.

 Linux 시스템에서 사용하는 표준 C 라이브러리는 GNU C 라이브러리(glibc)입니다. 대신 Google은 Android를 위한 Bionic 표준 C 라이브러리를 개발하였습니다. Bionic은 glibc보다 메모리 사용량이 적을 뿐만 아니라 모바일 장치를 특징짓는 느린 CPU를 위해 설계되었습니다.(또한 Bionic은 Google이 glibc의 GPL 라이선스를 우회하도록 허용합니다.)

 Android 소프트웨어 스택의 맨 아래에는 Linux 커널이 있습니다. Google은 전원 관리와 같은 모바일 시스템의 특수한 요구를 지원하기 위해 다양한 영역에서 Android에서 사용되는 Linux 커널을 수정하였습니다. 또한 메모리 관리 및 할당을 변경했으며 Binder로 알려진 새로운 형태의 IPC를 추가했습니다.