우리가 사용했던 system call [ 크래프톤 정글 42일차 ]

이번주 내내 CSAPP : 7,8,9 장을 읽고 CSAPP:8장을 읽고 예외적인 제외흐름에 대해서 정리했지만, 직접 사용해보지 않았기에 이해하기 어려운 부분이 있었어요.

그런데 저희는 CSAPP만 읽은 게 아니라 RB-tree도 만들었잖아요?
그래서 RB-tree 를 만들 때 사용했던 system call 에 대해서 정리하면 나에게도 도움이 되고 같이 공부하는 여러분들에게도 8장의 내용을 이해하는데에 조금 더 도움이 되지 않을까 해서
이번주 발표 내용은 우리가 사용했던 system call 입니다.

✅ [ WEEK06 ] 탐험준비 - Red-Black-Tree

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WEEK 진행률

🎯 1. 키워드 공부

• ☑️ 포인터
• ☑️ 가상화
• ☑️ GCC
• ☑️ 포인터의 연산
• ☑️ 동적 메모리 할당
• ☑️ 이진 탐색 트리
• ☑️ 레드 블랙 트리의 삽입/삭제
• ☑️ malloc, calloc, realloc

🎯 2. 테스트 케이스

• ☑️ test_init
• ☑️ test_insert_single
• ☑️ test_find_single
• ❗️ test_erase_root
• ☑️ test_find_erase_fixed
• ☑️ test_minmax_suite
• ☑️ test_to_array_suite
• ☑️ test_distinct_values
• ☑️ test_duplicate_values
• ☑️ test_multi_instance
• ☑️ test_find_erase_rand

🎯 3. 책 읽기

• ☑️ CS APP : 7장 링커
• ☑️ CS APP : 8장 예외적인 제어 흐름
• ☑️ CS APP : 9장 가상 메모리

진행률 : 95%

1. system call 다시 한번

트랩 이란?

• 트랩은 소프트웨어에서 의도적으로 발생시키는 예외적인 제어 흐름이예요.
• 사용자모드 -> 커널모드로 진입하기 위한 메커니즘으로 사용돼요.
• 트랩은 현재 실행 중인 명령어를 완료한 뒤 커널에게 특정 처리를 요청하며, 이는 복구 가능한 예외예요.

시스템 콜은 이 트랩을 발생시켜서 커널에게 요청하는 서비스입니다.

CPU에는 사용자 모드와 커널 모드가 있는데요.
사용자 모드에서는

• 파일 (열기,읽기,쓰기)
• 물리 메모리 주소 접근, 페이지 테이블 조작
• 키보드,마우스,디스크 등 입출력 장치
• 다른 프로세스 죽이기
• 시스템 시계 조작, 타이머 설정

등을 할 수가 없어요. 그래서 system call이라는 명령어를 이용해서 커널모드로 진입하는 거예요.

시스템 콜	번호	설명
read	0	파일에서 읽기
write	1	파일에 쓰기
open	2	파일 열기
close	3	파일 닫기
fork	57	자식 프로세스 생성
execve	59	새 프로그램 실행
exit	60	프로세스 종료
kill	62	시그널 보내기

다양한 system call명령어가 있는데 운영체제마다 다르고
리눅스는 /usr/include/x86_64-linux-gnu/asm/unistd_64.h 경로에 저장되어 있다고 합니다.

2. 우리가 사용했던 system call

우리는 총 5개의 system call을 이번 RB-tree에서 사용했어요.

• 1. 메모리 관리 : malloc,free
• 2. 입출력 : printf
• 3. 난수생성 : rand,srand

근데 이 중 rand와srand는 test case를 위해서 사용된거고 잘 모르니까 안할게요.

3개만 살펴볼게요. malloc,free,printf

2-1. printf 는 유명한 system call임

실제로 printf 는 데이터를 그냥 바로 출력하지 않아요.
그 대신 포맷처리와 버퍼링을 담당하고 최종 출력은 write() 시스템 콜 을 사용해서 출력합니다.

왜냐고요? 순수 c 언어로는 터미널에 출력 ( 디스크에쓸수도있음 ) 을 못함 권한이 없어서,
그래서 커널한테 자격 넘겨줄려고 write 써요.

이런 순서를 거쳐요

사용자 코드
 └─▶ printf()              // 라이브러리 함수
      └─▶ vfprintf()       // %d , %s , %p 포맷 처리
           └─▶ _IO_file_xsputn() // 버퍼(버퍼는 데이터를 임시로 저장해두는 공간) 에 데이터 복사
                └─▶ _IO_do_write() // 파일 스트림 flush
                    └─▶ syscall write(fd=1, buf, size)

이렇게 여러 중간과정을 거치고 최종적으로는 write() 시스템 콜을 사용합니다!

write(1, "Hello\n", 6);

• 첫번째 매개변수는 출력 대상 파일디스크립터 ( 1 = stdout , 2 = stderr ) 등
• 두번째 매개변수는 출력할 데이터의 메모리 주소
• 세번째 매개변수는 출력할 데이터의 바이트 수

유저모드 write() 호출
  ↓
CPU의 트랩 → 커널 진입 (syscall)
  ↓
fd 검증 → 버퍼 접근 시도 → 파일디스크립터가 가리키는 대상(터미널,디스크파일)에 기록
  ↓
오류 발생 시 → 예외(페이지 폴트, 권한 오류 등) → errno 설정 → -1 리턴

2-2. malloc은 시스템 콜을 직접쓰진 않음

malloc 은 내부에 ptmalloc 이라는 힙 관리자가 따로 있는데 얘가 시스템 콜을 관리해줘요.

언제 쓰냐!!

malloc 이 heap 영역에 메모리를 할당하는 건 아시죠?

만약 heap 영역에 메모리가 꽉 차면 이 힙 영역을 늘려줘야 하잖아요.
그 때, 이제 brk() 라는 시스템 콜을 사용해서 조절되는 거예요.

• malloc의 메모리 할당은 확보해둔 힙 여역에서 작동하며, 커널 모드 진입안해도 됨
• 근데 메모리가 부족하면? malloc 의 내부 로직이 커널한테 메모리 더주세여 하고 요청해야함
• 그 때 , brk() 라는 시스템 콜 사용 ( malloc 의 데이터가 큰 경우 또는 특수한 경우에 mmap() 시스템 콜 사용 )

brk 시스템 콜은 인자로 원하는 힙의 끝 주소를 전달해요.

int brk(void *end_data_segment); // 절대주소
void *sbrk(int increment); // 상대주소

혹은 sbrk로 상대적인 주소를 전달하기도 한답니다?

2-3. free 는 사실 시스템 콜을 쓰진 않음

대부분의 경우 free 는 단순히 사용자가 요청한 메모리 블록을 내부 힙 관리구조(free list)에 반환해서 다음에 malloc이 재활용할 수 있도록 표시함.

이건 완전히 사용자 공간에서 처리되고요 시스템 콜이 발생하진 않아요.

free 쓸때 시스템콜이 발생하는 경우는

위에서 쓴 malloc 에서 데이터가 클 경우 mmap()을 쓴다고 했자나여 이걸 쓴 메모리 블록을 free()할 때 넘 크니까 free list에 안넣고 그냥 munmap() 시스템콜을 호출해서 해제해요

왜냐면 brk는 연속된공간을 확장하는 방식인데
mmap은 아예 새로운 메모리 공간을 만드는 느낌이예요.

이런느낌

brk 는 heap 에 바로 연속적으로 만들어지고
mmap은 아예 새로운 공간을 할당했다가 해제할때 그 공간 자체를 해제

마무리

8장이 너무 어려워서 최대한 주변 예제로 이해하고 싶어서 그 경험을 공유합니다.
화이또