[운영체제] 시스템 콜(System Call)

들어가기 전 용어 정리

운영체제는 커널 모드(Kernel Mode)와 사용자 모드(User Mode)로 나뉘어 구동된다.

- 사용자 모드(User Mode)
: 유저가 접근할 수 있는 영역을 제한적으로 두며, 컴퓨터 자원에 함부로 침범하지 못하는 모드.

- 커널 모드(Kernel Mode)
: 모든 컴퓨터 자원에 접근할 수 있는 모드.

- 커널 (Kernel)
: 운영체제의 핵심 부분이자 시스템콜 인터페이스를 제공하며 
보안, 메모리, 프로세스, 파일 시스템, I/O 디바이스, I/O 요청 관리 등 운영체제의 중추적인 역할을 한다.
즉, 파일 입출력, 프로세스 관리 등과 같이 운영체제의 기능을 담당

 

 

---

 

시스템 콜이 필요한 이유

일반 사용자(사용자 모드)는 커널에 접근할 수 없기 때문에 
원칙적으로는 파일 입출력, 프로세스 생성 등 커널의 기능을 사용하지 못한다.

→ 커널의 기능을 사용하기 위해, 운영체제에서 시스템 콜(system call)을 제공한다.

 

 

 

 시스템 콜(시스템 호출)이 무엇인가?

커널 영역의 기능을 사용자 모드가 사용 가능하게, 
즉, 프로세스가 하드웨어에 직접 접근해서 필요한 기능을 사용할 수 있게 해준다.

 

modebit의 역할

※ modebit
: 시스템콜이 작동될 떄 modebit을 참고해서 유저 모드와 커널 모드를 구분한다.
1 또는 0의 값을 가지는 플래그 변수이다.

 

• 인터럽트의 일종이다.
• 시스템 콜은 커널과 사용자 사이의 인터페이스 역할을 하는 것으로, 쉘(Shell)에서 명령어나 서브 루틴 형식으로 운영체제의 기능을 호출할 수 있다. 즉, 사용자가 직접 커널에 접근을 할 수 없기 때문에 시스템 콜을 활용해야 한다.
• 보통 시스템 콜을 직접 사용하기 보단, 해당 시스템 콜을 사용해서 만든 각 언어별 라이브러리(API)를 사용한다.

 

→ 즉, 사용자 프로세스가 소프트웨어 인터럽트를 통해 커널을 이용하기 위한 서비스를 요청하는 하나의 방법.

→ 운영체제의 기능을 호출하는 함수

 

 

 

---

 

시스템 콜 처리과정

사용자 프로세스 → 시스템 콜 → libc.a → 0x80 인터럽트 발생 → 커널에서 처리

 

 

 

시스템 콜의 종류

 

1. 프로세스 컨트롤

• 프로세스 생성 및 종료
• 메모리에 로드,실행
• 프로세스 속성 값 확인. 지정
• wait 이벤트, signal 이벤트
• 메모리 할당

 

2. 파일 매니지먼트

• 파일 생성, 파일 삭제
• 열기, 닫기
• 읽기,쓰기,Reposition
• 파일 속성 값 확인, 지정

 

3. 디바이스 매니지먼트

• 디바이스 요청 및 해제
• 읽기,쓰기,Reposition
• 디바이스 속성 확인, 지정
• 비 물리적인 디바이스 해제 및 장착

 

4. 정보 관리

• 시간 확인,시간 지정
• 시스템 데이터 확인, 지정
• 프로세스, 파일, 디바이스 속성 가져오기
• 프로세스 ,파일, 디바이스 속성 설정하기

 

5. 커뮤니케이션

• 커뮤니케이션 연결 생성 및 삭제
• 메시지 송신,수신
• 상태 정보 전달
• remote 디바이스 해제 및 장착

 

6. 보안

• Permission 획득
• Permission 설정

 

 

---

 

시스템 콜 - 프로세스 컨트롤 

1. fork()

프로세스를 복사하는 시스템 콜이며 Unix에서 새로운 프로세스를 만드는 역할을 한다.

fork()는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 
새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. 
주소 공간만 복사할 뿐이지, 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.

그러나, 이상한 방식임.

 

• fork() 시스템 호출 사용 코드

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("pid : %d", (int) getpid()); // pid : 29146
    
    int rc = fork();					// 주목
    
    if (rc < 0) {
        exit(1);
    }									// (1) fork 실패
    else if (rc == 0) {					// (2) child 인 경우 (fork 값이 0)
        printf("child (pid : %d)", (int) getpid());
    }
    else {								// (3) parent case
        printf("parent of %d (pid : %d)", rc, (int)getpid());
    }
}

 

 

 

2. wait

child의 프로세스가 종료될 때까지 기다리는 작업.

자식 프로세스가 동작 중이면 상태를 얻어올 때까지 대기하며 종료된 후 상태를 얻음.
(즉, 부모 프로세스가 CPU점유권을 받았을 때 그때가 wait() 시스템콜이 끝나는 지점)

 

• wait 사용 코드 : 위의 예시에 int wc = wait(NULL)만 추가함.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("pid : %d", (int) getpid()); // pid : 29146
    
    int rc = fork();					// 주목
    
    if (rc < 0) {
        exit(1);
    }									// (1) fork 실패
    else if (rc == 0) {					// (2) child 인 경우 (fork 값이 0)
        printf("child (pid : %d)", (int) getpid());
    }
    else {								// (3) parent case
        int wc = wait(NULL)				// 추가된 부분
        printf("parent of %d (wc : %d / pid : %d)", wc, rc, (int)getpid());
    }
}

 

 

 

3. exec

단순 fork 는 동일한 프로세스의 내용을 여러번 동작할때 사용함.
child 에서는 parent 와 다른 동작을 하고 싶을 때 exec를 사용할 수 있음.

즉, exec()를 사용하는 목적은 프로세스의 구조체를 재활용하기 위해서이다.

exec()를 실행하면 현재의 프로세스가 완전히 다른 프로세스로 전환됨

한마디로, exec()는 새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

 

• exec 사용 코드

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("pid : %d", (int) getpid()); // pid : 29146
    
    int rc = fork();					// 주목
    
    if (rc < 0) {
        exit(1);
    }									// (1) fork 실패
    else if (rc == 0) {					// (2) child 인 경우 (fork 값이 0)
        printf("child (pid : %d)", (int) getpid());
        char *myargs[3];
        myargs[0] = strdup("wc");		// 내가 실행할 파일 이름
        myargs[1] = strdup("p3.c");		// 실행할 파일에 넘겨줄 argument
        myargs[2] = NULL;				// end of array
        execvp(myarges[0], myargs);		// wc 파일 실행.
        printf("this shouldn't print out") // 실행되지 않음.
    }
    else {								// (3) parent case
        int wc = wait(NULL)				// 추가된 부분
        printf("parent of %d (wc : %d / pid : %d)", wc, rc, (int)getpid());
    }
}

 

 

 

---

 

요약 겸 예상 질문

Q. 시스템 콜이란 무엇인지 설명하시오.

A. 시스템 호출(system call)은 운영 체제의 커널이 제공하는 서비스에 대해 
응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스이다.

Q. fork()와 exec()가 사용되는 경우를 설명해보시오.
A. fork()를 사용하는 경우는 동일한 프로세스의 내용을 여러번 동작시킬 때이다.
exec()를 사용하는 경우는 child 에서는 parent 와 다른 동작을 하고 싶을 때이다.

++ 추가
Q. fork()를 사용할 경우 부모 프로세스와 자식 프로세스중 어떤것이 먼저 실행되는지?
A. fork()를 사용할 경우 두 프로세스의 실행 순서는 스케줄러가 관리하며,
부모 프로세스와 자식 프로세스의 순서는 보장되지 않음.

++ 추가
Q. 자식 프로세스를 먼저 실행하고 싶을때, 순서를 보장해줄 수 있는 방법이 있는지?
A. wait() 시스템 콜을 사용하면 된다.

 

 

 

 

 

---

출처

• https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/blob/master/Computer%20Science/Operating%20System/%5BOS%5D%20System%20Call%20(Fork%20Wait%20Exec).md
• https://chanhuiseok.github.io/posts/cs-3/
• https://luckyyowu.tistory.com/133
• https://ypangtrouble.tistory.com/entry/%EC%8B%9C%EC%8A%A4%ED%85%9C-%EC%BD%9CSystem-Call