그림으로 배우는 리눅스 구조

클라우드, 빅데이터, 인공지능 등 빠르게 발전하는 기술의 근간에는 튼튼한 기본기가 필수적입니다.
기술 발전의 토대인 리눅스의 깊은 이해는 최신 기술 트렌드를 익히는 데도 필수적인 밑바탕을 제공합니다.

리눅스는 백엔드 개발자와 데이터 분석가에게 꼭 필요한 OS입니다. 리눅스의 핵심인 커널에 대한 이해는 무시할 수 없는 중요한 부분입니다. 커널은 리눅스 시스템의 모든 기능과 동작의 핵심이며, 이에 대한 지식은 매우 중요합니다.

『그림으로 배우는 리눅스 구조』는 『실습과 그림으로 배우는 리눅스 구조』의 최신 개정판으로,
컴퓨터 시스템을 구성하는 OS나 하드웨어를 직접 실습해 보며 동작 원리를 익힐 수 있는 책입니다. 다양한 그림을 제공해 리눅스와 커널, 하드웨어가 상위 계층과 직접 연결된 부분을 이해할 수 있도록 구성했습니다. 또한, Go, Python으로 작성된 실습 코드와 친절한 주석 설명을 담고 있으며, 가상화, 컨테이너, cgroup과 같은 내용도 다룹니다. 이외에도 깊이 있는 내용을 Column으로 제공하여 리눅스 기본 지식뿐만 아니라 다양한 인사이트를 얻을 수 있도록 구성하였습니다.

[추천사]

신입부터 경력자까지 개발자라면 무조건 읽어야 하는 리눅스 필독서입니다. 단순히 리눅스를 알려주기보다 리눅스를 통해 컴퓨터 구조와 OS에 대한 이해를 몸소 체험하게 해줍니다. 쉬운 이론 설명과 핸즈온을 통해 직접 확인함으로써 리눅스 구조를 쉽고 재밌게 익힐 수 있습니다.

김삼영, 쿼리파이(체커) 검색 클라우드 개발자

리눅스 커널 책의 두께와 기술적 깊이에 질려 중간에 포기한 경험이 있는 엔지니어라면, 수많은 그림과 실습 코드로 리눅스의 이해를 더하는 이 책으로 충분히 다시 도전해 볼 만하다고 생각합니다.


최규민, 국가정보자원관리원(NIRS)

이런 리눅스 책은 처음입니다. 선배가 옆에서 하나하나 알려주듯 그림과 실습으로 어렵지 않게 리눅스를 이해할 수 있습니다. matplotlib을 활용하여 메모리의 타임 슬라이스 단위로 프로세스의 CPU 점유를 시각적으로 확인하며, 스루풋과 레이턴시 등 성능 지표를 직접 체감하며 익힐 수 있도록 도와줍니다. 나아가 애플리케이션의 관측성에 대한 이해뿐만 아니라 가상화, 메모리 등 많은 내용도 다룹니다. 책은 IT 분야에서 깊이 있는 지식을 원하는 분들에게 추천합니다.

최치영, 클라우드메이트 클라우드 엔지니어

학부 시절 어렵게만 느껴졌던 OS에 대한 내용을 그림과 실습으로 설명해 쉬운 이해를 도와줍니다. 처음 코딩을 시작할 때 이런 개념이 왜 필요할까? 왜 공부해야 할까?에 대한 의문이 있었는데 막상 실무에 적용하다 보니 개념이 확실하게 정리되어야 모든 과정이 수월하다는 걸 깨닫게 되었습니다. 이러한 측면에서 이 책은 개발자라면 필독서로 한 번쯤 읽어보는 것이 좋다고 생각합니다.


백혜림, 이포쉬림 대표 겸 AI 강사

Go, Python, Bash 스크립트 등으로 작성된 실습 코드 기반으로 리눅스 OS에서 어떤 일들이 일어나는지 직접 따라해 보며 경험적으로 쉽게 이해할 수 있습니다. OS에 필요한 기본 개념을 코드와 그래프로 확인하며 자세히, 직관적으로 이해할 수 있습니다. 실제로 리눅스를 기반으로 서버를 운용하는 엔지니어에게 이 책의 일독을 권합니다.

안다혜, 무신사 SRE

CHAPTER 0 시작하면서

CHAPTER 1 리눅스 개요
1.1 프로그램 및 프로세스
1.2 커널
1.3 시스템 콜
_시스템 콜 호출 확인해 보기
_시스템 콜을 처리하는 시간 비율
Column 모니터링, 경고 알림 및 대시 보드
_시스템 콜 소요 시간
1.4 라이브러리
_표준 C 라이브러리
_시스템 콜 래퍼 함수
_정적 라이브러리와 공유 라이브러리
Column 정적 링크가 돌아왔다


CHAPTER 2 프로세스 관리(기초편)
2.1 프로세스 생성
_같은 프로세스를 두 개로 분열시키는 fork() 함수
_다른 프로그램을 기동하는 execve() 함수
_ASLR로 보안 강화
2.2 프로세스의 부모 자식 관계
Column fork() 함수와 execve() 함수 이외의 프로세스 생성 방법
2.3 프로세스 상태
2.4 프로세스 종료
2.5 좀비 프로세스와 고아 프로세스
2.6 시그널
Column 반드시 죽이는 SIGKILL 시그널과 절대로 죽지 않는 프로세스
2.7 셸 작업 관리 구현
_세션
_프로세스 그룹
2.8 데몬


CHAPTER 3 프로세스 스케줄러
3.1 기본 지식: 경과 시간과 사용 시간
3.2 논리 CPU 하나만 사용하는 경우
3.3 논리 CPU 여러 개를 사용하는 경우
3.4 real보다 user+sys가 커지는 경우
3.5 타임 슬라이스
Column 타임 슬라이스 구조
3.6 컨텍스트 스위치
3.7 처리 성능
3.8 프로그램 병렬 실행의 중요성


CHAPTER 4 메모리 관리 시스템
4.1 메모리 관련 정보 수집하기
_used
_buff/cache
_sar 명령어를 사용해서 메모리 관련 정보를 수집하기
4.2 메모리 재활용 처리
_프로세스 삭제와 메모리 강제 해제
4.3 가상 메모리
_가상 메모리가 없을 때 생기는 문제점
_가상 메모리 기능
_가상 메모리로 문제 해결하기
4.4 프로세스에 새로운 메모리 할당
_메모리 영역 할당: mmap () 시스템 콜
Column Meltdown 취약점의 공포
_메모리 할당: Demand paging
Column 프로그래밍 언어 번역기와 메모리 관리
4.5 페이지 테이블 계층화
_Huge Page
_Transparent Huge Page(THP)


CHAPTER 5 프로세스 관리(응용편)
5.1 빠른 프로세스 작성 처리
_fork() 함수 고속화: 카피 온 라이트
_execve() 함수의 고속화: Demand paging
5.2 프로세스 통신
_공유 메모리
_시그널
_파이프
_소켓
5.3 배타적 제어
5.4 돌고 도는 배타적 제어
5.5 멀티 프로세스 및 멀티 스레드
Column 커널 스레드와 사용자 스레드


CHAPTER 6 장치 접근
6.1 디바이스 파일
_캐릭터 장치
_블록 장치
Column 루프 장치
6.2 디바이스 드라이버
_메모리 맵 입출력(MMIO)
_폴링
_인터럽트
Column 일부러 폴링을 사용하는 경우
6.3 디바이스 파일명은 바뀌기 마련


CHAPTER 7 파일 시스템
7.1 파일 접근 방법
7.2 메모리 맵 파일
7.3 일반적인 파일 시스템
7.4 쿼터(용량 제한)
7.5 파일 시스템 정합성 유지
_저널링을 사용한 오류 방지
_카피 온 라이트로 오류 방지
_뭐니 뭐니 해도 백업
7.6 Btrfs에서 제공하는 파일 시스템의 고급 기능
_스냅샷
_멀티 볼륨
Column 어떤 파일 시스템을 사용하면 좋은가?
7.7 데이터 손상 감지와 복구
7.8 기타 파일 시스템
_메모리 기반의 파일 시스템
_네트워크 파일 시스템
_procfs
_sysfs


CHAPTER 8 메모리 계층
8.1 캐시 메모리
_참조의 지역성
_계층형 캐시 메모리
_캐시 메모리 접근 속도 측정
Simultaneous Multi Threading (SMT)
Column 변환 색인 버퍼(Translation Lookaside Buffer)
8.2 페이지 캐시
_페이지 캐시 효과
8.3 버퍼 캐시
8.4 쓰기 타이밍
8.5 직접 입출력
8.6 스왑
8.7 통계 정보


CHAPTER 9 블록 계층
9.1 하드 디스크의 특징
9.2 블록 계층의 기본 기능
9.3 블록 장치의 성능 지표 및 측정 방법
_하나의 프로세스만 입출력을 호출하는 경우
_여러 프로세스가 병렬로 입출력을 호출하는 경우
Column 추측하지 말고, 측정해라
_성능 측정 도구: fio
9.4 블록 계층이 하드 디스크 성능에 주는 영향
_패턴 A 측정 결과
_패턴 B 측정 결과
Column 무엇을 위한 성능 측정인가
_기술 혁신과 관련된 블록 계층의 변화
9.5 블록 계층이 NVMe SSD의 성능에 미치는 영향
_패턴 A 측정 결과
_패턴 B 측정 결과
Column 실제 성능 측정


CHAPTER 10 가상화 기능
10.1 가상화 기능이란 무엇인가
10.2 가상화 소프트웨어
10.3 이 장에서 사용하는 가상화 소프트웨어
Column 중첩 가상화
10.4 가상화를 지원하는 CPU 기능
_QEMU＋KVM 조합
Column CPU 가상화 기능이 없는 경우의 가상화
10.5 가상 머신은 호스트 OS에서 어떻게 보이는가?
_호스트 OS에서 본 게스트 OS
_여러 머신을 실행하는 경우
Column IaaS의 오토스케일 메커니즘
10.6 가상화 환경의 프로세스 스케줄링
_물리 기기에서 프로세스가 동작하는 경우
_통계 정보
10.7 가상 머신 및 메모리 관리
_가상 머신이 사용하는 메모리
10.8 가상 머신과 저장 장치
_가상 머신과 저장소 입출력
_저장 장치 쓰기와 페이지 캐시
_반가상화 장치와 virtio_blk
Column 호스트 OS와 게스트 OS의 저장소 입출력 성능 역전 현상
10.9 virtio_blk 구조
Column PCI 패스스루


CHAPTER 11 컨테이너
11.1 가상 머신과 차이점
11.2 컨테이너 종류
11.3 네임스페이스
_프로세스ID 네임스페이스
_컨테이너 정체
11.4 보안 위험성


CHAPTER 12 cgroup
12.1 cgroup으로 제어 가능한 자원
12.2 사용 예: CPU 사용 시간 제어
Column cgroup 기능이 리눅스 커널에 포함된 과정
12.3 응용 예
Column cgroup v2

CHAPTER 13 이 책에서 배우는 내용과 활용법

타케우치 사토루 2005년부터 2017년까지 후지쯔 주식회사에서 엔터 프라이즈 리눅스, 특히 커널 개발과 지원을 담당하였다. 2017년 사이보우즈 주식회사 기술 고문에 취임해서 2018년부터 cybozu.com의 새로운 인프라 저장소 개발을 담당하고 있다.