Command Line Interface (CLI)¶

이 문서에서는 CLI에 대한 소개와 이를 수행해주는 Terminal을 살펴본다.

그리고 이들을 통한 I/O가 이루어지는 과정을 간략히 설명한다.
Terminal을 통한 CLI방식으로 I/O가 이루어지는 과정을 살펴보면서, I/O Interrupt와 Context switching에 대한 개념을 소개하며, OS가 제공하는 I/O를 위한 system call의 개념과 이를 이용하는 표준 입출력 라이브러리에 대한 개념도 간략히 살펴본다.

CLI에 대한 간단한 개념만 필요한 경우엔 CLI와 Terminal 까지만 읽어도 좋다.

Command Line Interface 란?¶

키보드를 이용하여 terminal을 통해 computer와 대화하는 방식.

흔히 interactive 방식과 scripting 방식 두가지로 동작함.

Interactive 방식 (or 대화식 모드)¶

키보드로 command(명령)을 typing하여 입력하고, computer도 terminal 등에 문자를 출력하여 응답하는 Interactive 방식임. (실제로 컴퓨터 초기에는 typewriter처럼 컴퓨터가 종이에 출력을 해줌.)

REPL (Run-Evaluation-Print, Loop의 약어) 모드라고도 불림.

Scripting 방식 (or Shell Scripting방)¶

OS의 shell이 해석하여 실행할 수 있는 instructions을 특수한 종류의 파일(shell script 파일)로 실행되는 순서대로 기재해놓고, 해당 파일을 실행하여 일련의 instructions들을 한번에 실행하는 방식.

python에서 .py파일로 만든 소스 파일을 수행하는 것과 유사하게, .sh (or .zsh) 파일들을 shell 이 수행하는데 이를 scripting 방식이라고 함.

Graphic User Interface 란?¶

마우스를 이용하여 icon등이 그려진 button 등을 눌러서 computer에게 지시를 내리는 방식.

computer 전문가 들보다는 다른 업무를 위해 computer를 사용하는 이들에게 익숙한 방식. 자동화등의 측면에서는 효율이 떨어진다.

Terminal¶

컴퓨터 초창기에는 H/W로 컴퓨터에 연결된 물리적인 I/O 장치 (Console, tty 이라고도 불림`) 였으나,
현재는 S/W로 사용자에게 CLI를 제공 한다.

사용자의 명령을 기다리는 command prompt를 보여주고
사용자가 명령을 입력하면 그 결과를 문자로 출력하여 반응함.

오늘날 Terminal 은 CLI를 제공하는 S/W 이기 때문에, Terminal emulator, soft terminal 과 같이 불리기도 함.

Terminal은

키보드나 모니터의 장치 드라이버로부터
입력과 출력에 대한 처리 를 위해 도움을 받는데,
이는 OS를 통해 이루어짐.

즉, CLI를 채택한 user application들은 Terminal을 통해 입출력 이 이루어지고 있으나 실제로는 내부에서 OS의 도움을 받고 있음.

Terminal : 사용자와 상호작용을 담당.
OS (including device drivers) : 물리적 I/O 디바이스와 Terminal, User Application을 중재.
User Application (system call 사용) : User CLI application은 CLI 를 OS와 Terminal의 도움을 받아 제공 하고, 해당 CLI를 통해 사용자와 상호작용을 수행.

오늘날 많이 이용되는 Terminal들은 다음과 같음.

xterm
rxvt
Gnome Terminal
iterm2

물리적인 Terminal을 Console이라고도 부르는데, 보다 자세한 건 다음을 참고하라.

참고 : Console, Terminal and Shell

다음은 조금 어려운 내용이므로 CLI와 GUI, Terminal의 개념만 필요한 경우엔 아래는 생략해도 좋다.

I/O Interrupt for CLI based User Application.¶

현대의 OS는 대부분 Time Division Technique을 이용하여 마치 여러 Program이 동시에 실행되는 것처럼 보이는 Time Sharing System이다.

하지만, 실제로는 한 순간에 하나의 core 당 하나의 program이 동작하는 것이고 core를 사용하는 시간을 나누어 여러 개의 program들이 동시에 동작되도록 보이는 것 뿐이다.

process and process context: 실제 동작하는 program의 명령어들과 데이터는 core의 register들에 저장되어 있어야 한다. 한 core에서 동작하는 단위 를 process라고 부르며 이 process가 core에서 재실행되기 위해 필요한 데이터들을 process context라고 부른다.
context switching: 하나의 core에서 여러 process가 시분할(Time Dividing)으로 실행되는 경우, 실행되던 process의 context가 기억장치에 저장(stack이 이용됨)이 되고, 실행될 process의 context가 register등에 load되어야 하며, 이런 과정을 context switching 이라고 부름.

CLI 를 사용하는 User application이 단일 process로 동작한다고 가정할 때, 이 역시 하나의 core에서 수행되기 위해서는 자신의 context가 cpu의 register들에 load 되어야 한다. 사용자의 키보드로부터의 입력을 대기하는 순간에 core를 사용하고 있는 건 비효율적이므로 OS가 I/O(입출력)을 대기하는 process들은 보통 context switching을 시켜서 sleep상태로 두는 경우가 일반적이다.
즉, User application이 I/O를 수행하기 위해 OS에게 system call을 하는 순간, OS는 사용자가 키보드 및 모니터로부터 I/O을 완료하기 전까지 해당 process를 sleep 시킨다. (해당 system call이 buffered input을 지원하면서 요구한 경우이고, 사용자가 키보드를 누를 때마다 처리가 이루어지도록 지정도 가능하긴 함.)

I/O가 이루어지고 있는 동안, OS는 해당 User application을 sleep 시키고, 다른 process를 수행할 수 있다. 이후 I/O가 종료되면 OS는 해당 User application을 깨워서 core에서 수행되도록 context switching을 수행한다. 다시 말하면, I/O 종료 event가 발생하면 interrupt 에 의해 User application은 sleep 상태에서 나와 다시 core에서 수행되는 것으로 생각할 수 있다.

위의 내용은 매우 간단히 애기한 것으로 실제 동작은 보다 복잡하다. context switching은 부하가 많이 걸리는 작업 으로 지나치게 많이 발생할 경우 오히려 효율이 매우 떨어지게 되어 사용자가 컴퓨터가 매우 느리다고 생각할 수 있다. 때문에, 이를 효과적으로 수행하기 위해 OS는 다양한 알고리즘을 사용하며 보다 많은 구성요소들의 도움을 받는다.

실제로 사용자가 키보드의 키를 누를 때마다, 마우스를 움직일 때마다 event가 발생하는 것이고, 이는 interrupt를 발생시켜 OS가 해당 interrupt를 처리하는 ISR을 수행하게 한다. Interrupt에 대한 좀더 자세한 내용은 Interrupt 요약을 참고하라.

위와 같은 과정을 거치므로 CLI에서도 I/O 동작은 매우 느린 수행에 해당한다. 때문에 I/O를 수행하는 동작을 할 때, 해당 I/O가 확실히 이루어지고 나서 다음 명령어를 실행해야하는 경우라면, 해당 system call에 대한 응답을 대기하면서 해당 process를 멈추고 있는 block mode function으로 I/O를 처리하는게 맞지만, I/O에 상관없이 다음 구문을 수행할 수 있는 경우라면 I/O작업과 process 수행이 병렬로 이루어지도록 non-blocking mode function으로 I/O처리하는 것을 고려해볼 수 있다.

Buffer 와 Standard I/O Library¶

Buffer¶

위에서 살펴봤듯이 I/O는 매우 느린 작업이며, 어디서 수행되고 있느냐에 따라 속도 차이가 매우 크다. Core에서 I/O 작업을 위한 처리 가능 속도와 사용자와 상호작용 중인 키보드에서의 처리 가능 속도는 매우 큰 차이를 보일 수 밖에 없다. 이처럼 처리 속도 차이가 큰 요소들이 결합할 경우, 해당 속도차로 인한 문제를 줄여주기 위해 buffer가 도입된다.

앞서 살펴본 I/O는 사용자가 Terminal을 통해 User application과 상호작용하는 것이라고 볼 수 있다. 즉, CLI는 키보드와 모니터의 드라이버와 OS, Terminal이 모두 함께 참여하여야 가능하다. 구성 요소들의 처리 속도에 차이가 존재하므로 이들 사이에서 입출력을 원활하게 하기 위해 input buffer와 output buffer가 존재한다. 아래 그림을 보면 각 장치 드라이버 뿐 아니라 User application이 사용하는 system call 라이브러리에도 buffer들이 존재함을 확인할 수 있다.

cli_m

terminal은 단순히 computer가 사용자에게 보내는 텍스트만을 출력하지 않으며, 사용자가 키보드로 입력하고 있는 글자 하나 하나를 echo처리(화면에 그대로 출력해줌)한다. 위 그림에서 buffer들의 연결을 잘 보면 echo를 위한 연결을 확인할 수 있다.

참고로 S/W적으로 buffer는 FIFO (First in First out)인 Queue 데이터 구조를 취하기(물리적으로는 register와 memory이지만, SW적으로는 Queue임: 좀더 엄밀하게는 circular queue.)때문에 아래 그림에서도 FIFO 방식으로 그려졌다.

Standard I/O Library and Handle¶

Standard I/O Library (표준입출력 라이브러리)는 다양한 User application들이 CLI를 쉽게 구현할 수 있도록 표준화된 라이브러리이며 C 언어의 stdio, Python의 sys.stdin와 sys.stdout등을 예로 들 수 있다. 사실 I/O는 terminal 이외에도 file에 읽고 쓰는 경우나 프린터로 출력 등을 포함하며, 많은 경우 file I/O로 이해하는게 보다 쉽다.

이는 UNIX 의 경우, 많은 device resource를 file로 추상화하여 마치 file을 이용하는 것처럼 I/O device들을 사용하기 때문으로, UNIX기반의 많은 OS에서 네트워크 통신을 위한 socket, serial communication을 위한 port 등에 I/O를 수행하는 방법이 이들을 file로 추상화해서 이루어진다.

User application의 관점에서 I/O 장치 (file I/O의 경우 storage)와 같은 OS가 device driver를 통해 관리하는 resource들에 접근하기 위한 수단은 system call 이다. User application의 process는 이들 system call을 통해 얻는 handle 또는 해당 리소스에 대한 descriptor (특히 file descriptor)등을 이용하여 해당 리소스를 사용할 수 있다(정확히는 원하는 동작을 해달라고 OS에게 제어 요청을 한다). 어떤 처리를 담당하는 객체(Object)를 흔히 handle이라고 칭한다.

Device를 통한 I/O를 수행하는 프로그래밍 코드는 handle을 얻어서 처리한 이후에는 다시 OS에 반환을 명시적으로 해주는 코드를 포함하는 방식이 일반적으로 사용된다. 앞서 설명한대로 OS는 file I/O와 같은 방식으로 다양한 device를 통한 I/O를 다룰 수 있게 system call을 제공한다. 그리고 다양한 프로그래밍 언어는 이 system call들을 사용하여 표준입출력을 할 수 있는 표준 입출력라이브러리를 제공한다. 표준 입출력 라이브러리는 system call 위에서 동작하기 때문에, 이를 고수준 입출력이라고 부르며, system call을 직접 사용하는 방식을 저수준 입출력이라고 나누어 부르기도 한다. 보통 file을 사용한 I/O를 배우고 나면 다른 I/O device들을 다루는 방법도 거의 유사하기 때문에 쉽게 확장가능하다.

CLI를 위해 Linux에서는 User application에서 terminal과 데이터를 주고받기 위해 우선, 2개의 file handle을 열게 된다 (1개는 input으로 1개는 output으로). C언어의 경우 표준입출력라이브러리에서 이 두 file handle에 대한 file pointer를 제공한다. 즉, stdio 표준입출력라이브러리의 stdin과 stdout을 사용하여 terminal과 입출력을 수행하게 된다. 사실 stderr로 표준 에러를 출력하는 file pointer가 하나 더 있으며, User application에서 에러 관련 출력을 하는 경우에는 stderr를 사용한다 (차이는 stderr에서 user application이 제공하는 buffer가 없다는 점으로 user application이 sleep 등으로 중간에 서 있는 경우 stdout은 출력이 되지 않으나 stderr는 출력가능함).

Handle¶

이들 handle은 OS에서 표준 입출력 장치를 file처럼 추상화한 file descriptor를 기반으로 버퍼 등의 기능을 추가한 것 으로, 프로그래머는 이들 handle을 사용하여 I/O를 처리하지만, 결국에는 OS의 해당하는 system call을 통해 I/O가 이루어지게 된다.