1. 개요
커널(Kernel)은 운영체제의 핵심이라 할 수 있는 매우 중요한 소프트웨어로 하드웨어의 자원을 자원이 필요한 프로세스에 나눠주고, 덩달아 프로세스 제어(작업 관리), 메모리 제어, 프로그램이 운영 체제에 요구하는 시스템 콜 등을 수행하는 부분이며 운영 체제의 가장 아래 계층에서 돌아간다. 현재 많이 사용되고 있는 운영 체제는 커널 위에 여러 가지 소프트웨어 계층을 올린 것. 이렇기 때문에 커널이 날아가게 되면 운영 체제를 못 쓰게 된다. 이 커널도 한번씩 오작동 하여 정지할 때가 있는데, 이를 가리켜 커널 패닉이라고 부른다. 요즘은 억지로 볼 수는 있지만 베타 테스트 버전이 아닌 이상 일반적인 상황에선 보기 어렵다.간혹 커널이 능동적으로 스케쥴링을 처리하는 것처럼 묘사되는 경우가 있는데, 이는 편의 상의 묘사일 뿐 엄밀하게 따지면 커널 속에 포함된 함수가 스케쥴링을 처리하는 것에 불과하다. 커널은 스스로 실행되는 프로세스가 아니라 호출되어 실행되어지는 단순한 함수/데이터의 집합이기 때문.
또한 커널은 프로세스나 스레드와는 달리 스택이나 힙을 갖지 않는다. 다만 예외적인 경우로 사용자 프로그램이 시스템 호출을 통해서 간접적으로 커널 함수를 호출했을 때, 커널 공간에 커널 코드 실행을 위한 스택이 임시로 생성될 수는 있다. 물론 이것도 커널이 직접 관리하는 스택이 아니라 복귀 시에 해제되는 임시적인 스택인지라 커널 자체가 스택을 갖는다고는 말하기 힘들다.
어쨌든 커널로 운영 체제의 정체성을 결정하기에 매우 중요하다고 볼 수 있다. 페도라, 우분투 등이 리눅스로 묶이는 것도 이들이 같은 리눅스 커널을 사용하고 있기 때문.
2. 커널의 종류
커널은 단일형 커널(monolithic kernel), 마이크로커널(microkernel), 혼합형 커널(hybrid kernel), 엑소커널(exokernel), 나노커널(nanokernel) 등 여러가지가 있지만, 그 중 단일형 커널, 마이크로커널, 혼합형 커널이 많이 알려져 있다. 엑소커널은 정확히 다른 방식의 커널은 아니다. 엑소커널은 다른 커널 구조의 보너스로 들어가는 것으로, 프로그램에게 하드웨어로 직접 제어할수 있는 선택권을 준다. 나노커널은 실질적으로 모든 서비스를 책임지는 특징을 가지고 있다.각각 다 장단점을 가지고 있으며, 예전에는 단일형 커널이 우세하냐 아니면 마이크로 커널이 우세하냐라는
커널은 장치의 하드웨어 리소스를 관리하고 운영체제의 다른 모든 부분을 제어하기 때문에 |커널의 중요성은 매우 크다고 할 수 있다.
2.1. 단일형 커널
리눅스 커널 구조도
단일형 커널(monolithic kernel)은 입출력, 네트워크, 주변 장치 관리 등의 운영 체제에서 일어나는 모든 일들을 한 개의 커널이 다 처리하는 방식이다. 속도가 빠르고 설계도 편리하지만, 잠재적 안정성 문제에 커널의 크기도 무지막지하게 커진다. 이 방식을 따르는 운영 체제는 다음과 같다.
다만 순수한 의미로서의 단일형 커널은 점차 찾아보기 힘들어지고 있는데 Linux의 DKMS, FreeBSD의 kld, NetBSD의 module과 같이 커널 바이너리에 어떠한 기능이 포함되어 있지 않더라도 커널에 기능을 추가할 수 있는 등 마이크로커널의 모듈형 설계에서 보이는 특성들 또한 섞여 있기 때문이다.
2.2. 마이크로커널
마이크로커널(microkernel)은 시스템 콜, 그리고 주변 장치 관리는 서버라는 응용 프로그램 계층으로 제공하는 방식으로 커널에서 제외하여 안정성을 높이고 크기도 줄인 설계 방식이다. 안정성과 보안 수준이 높아지지만, 성능이 떨어진다. 이 방식을 따르는 운영 체제는 다음과 같다.
2.3. 혼합형 커널
윈도우 NT 계열 커널 구조도
혼합형 커널(hybrid kernel)은 마이크로커널에 단일형 커널의 장점을 혼합해 만든 설계 방식이다. 성능이 필요한 운영 체제 서비스를 커널에 집어넣었다. 그래서 리누스 토발즈는 이 용어가 단순히 마케팅 목적으로 만든 용어에 불과하다고 말하기도 했다. 아무튼 이 방식을 따르는 운영 체제는 다음과 같다.
- NT 커널( Windows NT 3.1, NT 3.5, NT 3.51, NT 4.0, 2000, XP, Vista, 7, 8, 8.1, 10, 11, Windows Server 2003, 2003 R2, 2008, 2008 R2, 2012, 2012 R2, 2016, 2019)
- XNU - Darwin과 이에 기반을 둔 macOS, iOS가 XNU 커널을 기반으로 한다. XNU 커널은 Mach 커널과 BSD 모놀리식 커널을 서로 합친 형태.
- BeOS, 하이쿠
- DragonFly BSD
- Plan 9