사용자 프로그램을 커널 위에서 실행 가능하게 만드는 것이 목적

기본 개념

사용자 프로그램(User Programs)

사용자 프로그램은 커널이 아닌 비특권 모드에서 실행되는 일반적인 프로그램. Linux로 치면 우리가 작성해서 gcc로 컴파일하고 실행하는 C 프로그램들.

Pintos에서는 이런 사용자 프로그램들을 실행시킬 수 있도록 운영체제를 확장해나가는 작업을 진행

프로세스(Process)와 주소 공간(Address Space)

• 유저 프로그램은 프로세스로 실행
• 각 프로세스는 독립된 가상 주소 공간을 가지고 있다
• 이 공간에는 코드, 데이터, 스택 등이 들어간다

시스템 콜(System Call)

• 사용자 프로그램은 직접 커널을 호출할 수 없음.
• 대신 시스템 콜 인터페이스를 통해 커널 기능을 요청
• 예: exit(), write(), read() 등의 기본 함수들은 시스템 콜

인터럽트와 트랩(Trap)

• 시스템 콜은 소프트웨어 인터럽트(예: int 0x30)로 커널에 제어를 넘긴다.
• 이는 threads/interrupt.c의 인터럽트 핸들러에서 처리된다

유저 메모리 접근 검증

• 커널은 신뢰할 수 없는 유저 프로그램이 유효한 주소만 접근하도록 해야 한다
• 사용자 프로그램이 넘긴 포인터가 커널 메모리나 NULL을 가리키면 안된다

스택(Stack)과 인자 전달

• main(int argc, char **argv) 형식으로 인자를 전달하기 위해, 커널은 프로세스의 스택을 직접 구성해야 한다..
• 문자열 복사, 정렬, 정렬된 포인터 push 등을 직접 구현해야 한다.

ELF 실행 파일 포맷

• Pintos의 유저 프로그램은 ELF(Executable and Linkable Format)으로 컴파일된다.
• 이 바이너리 포맷을 파싱해서 코드 섹션을 메모리에 로딩하고 시작 지점으로 점프합니다

파일 디스크립터(File Descriptor)

• open(), read(), write() 등에서 사용하는 정수형 핸들.
• 프로세스마다 독립된 파일 디스크립터 테이블이 있어야 한다.

프로세스 종료와 부모-자식 관계

• process_wait() 구현을 위해, 부모가 자식의 종료 상태를 기다릴 수 있어야 한다
• 각 스레드/프로세스는 자신의 자식 목록을 추적해야 한다.

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테스트 케이스

Argument Passing

테스트 이름	설명
args-none	인자가 없는 실행 확인
args-single	인자 1개 전달 확인
args-multiple	여러 개 인자 전달 확인
args-dbl-space	중복 공백이 있을 때 인자 처리 확인
args-many	많은 수의 인자 처리 테스트

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System Call: Process Control

테스트 이름	설명
halt	halt() 호출 시 시스템 종료 확인
exit	exit(status)가 정상 작동하고 부모가 상태 수신하는지 확인
wait-simple	기본적인 wait() 동작 확인
wait-twice	동일 자식에 대해 두 번 wait 시 -1 반환
wait-killed	자식이 예외로 종료된 경우 wait() 결과 -1 확인

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System Call: exec & load

테스트 이름	설명
exec-once	exec()로 한 번 실행 후 종료 여부 확인
exec-arg	exec() 호출로 인자 전달 여부 확인
exec-missing	존재하지 않는 파일을 exec() 시도 시 실패 처리
exec-bad-addr	잘못된 포인터를 exec()에 넘길 경우 예외 처리 확인
exec-read	실행 중 프로그램이 자신의 파일 읽기 시도 가능 여부

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File I/O

테스트 이름	설명
create	파일 생성 시스템 콜 create() 테스트
open	파일 열기 테스트 (open())
close	파일 디스크립터 닫기 (close())
read-normal	정상 read() 호출 후 내용 읽기 확인
read-bad-ptr	잘못된 포인터로 읽기 요청 시 예외 발생
read-stdin	read(0, ...)을 통한 입력 읽기 처리
write-normal	write()로 파일 또는 stdout 출력 확인
write-bad-ptr	잘못된 포인터로 출력 요청 시 예외 처리
write-stdout	write(1, ...)으로 콘솔 출력 확인
filesize	filesize(fd)로 파일 크기 확인
seek, tell	파일 오프셋 조작 및 현재 위치 반환 확인

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System Call: Robustness / Fault

테스트 이름	설명
sc-boundary	포인터가 페이지 경계에 걸칠 때 처리
sc-bad-addr	주소가 물리 메모리 외일 때 예외 발생 확인
sc-null	NULL 포인터 접근 처리 확인
sc-bad-sp	잘못된 스택 포인터로 시스템 콜 접근 시 처리
rox-simple, rox-child, rox-multichild	실행 중인 파일에 write() 시도 시 거부 여부 확인

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Memory Pressure / Stress Test

테스트 이름	설명
multi-recurse, exit-recurse	깊은 재귀 호출과 정상 종료 여부 확인
multi-oom	많은 프로세스 생성 시 메모리 부족 대응 테스트

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폴더 구조 및 설명

파일명	설명
process.c / process.h	프로세스 생성과 로딩, 종료 처리를 담당합니다. ELF 실행 파일을 로드하고 초기 스택을 설정하는 코드가 들어 있습니다. 인자 전달도 이 파일에서 구현합니다.
syscall.c / syscall.h	시스템 콜 인터페이스 처리: 유저 프로그램이 커널 기능을 요청할 때 인터럽트를 받아 분기 처리하는 메인 로직입니다. syscall_handler()가 핵심입니다.
exception.c / exception.h	예외 처리: 유저 프로그램이 잘못된 메모리에 접근했을 때 발생하는 page fault 등을 처리합니다. page_fault() 수정 가능성이 있습니다.
pagedir.c / pagedir.h	페이지 테이블 관리 유틸리티: 유저 메모리 접근 시 페이지가 유효한지 확인할 때 사용합니다. 직접 수정은 드물지만 함수 호출은 자주 합니다.
gdt.c / gdt.h	Global Descriptor Table 설정: 세그먼트 기반 보호 모드 설정에 필요한 코드입니다. 수정할 필요는 거의 없습니다.
tss.c / tss.h	Task-State Segment 설정: 인터럽트 진입 시 유저에서 커널 스택으로 전환하기 위한 구조입니다. 마찬가지로 읽기만 하면 되고, 수정하지 않아도 됩니다.

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진행 순서

1. 시스템 콜 인터페이스 열기
2. 프로세스 생성 (process_exec)
3. 인자 전달 처리
4. 시스템 콜 핸들러 구현 (syscall.c)
5. 프로세스 종료 메시지
6. 파일 접근 제한 (deny_write)
7. (선택) stdin/stdout 닫기 및 dup2() 지원

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시작

1. 시작 전 준비

• 코드 베이스 확인: userprog 디렉토리에서 작업을 시작합니다.
• 테스트 환경 구축: make를 통해 빌드하고, 테스트를 실행할 수 있는지 확인합니다.

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2. 시스템 콜 핸들러 구현

• 핵심 파일: userprog/syscall.c
• 할 일:
  • 시스템 콜 번호를 읽고 해당 핸들러로 분기하는 로직 구현
  • 사용자 메모리 접근 시 유효성 검사 추가
• 관련 테스트 케이스:
  • syscall-read-bad-ptr
  • syscall-write-bad-ptr

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3. 기본 시스템 콜 구현

• 핵심 파일: userprog/syscall.c
• 할 일:
  • halt: Pintos 종료
  • exit: 현재 프로세스 종료 및 상태 반환
  • write: 콘솔 출력 구현
• 관련 테스트 케이스:
  • halt
  • exit
  • write-normal
  • write-bad-ptr

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4. 인자 전달 (Argument Passing) 구현

• 핵심 파일: userprog/process.c
• 할 일:
  • process_execute에서 프로그램 이름과 인자를 분리
  • setup_stack에서 스택에 인자들을 올바르게 배치
• 관련 테스트 케이스:
  • args-single
  • args-multiple
  • args-many

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5. 프로세스 종료 및 대기 구현

• 핵심 파일: userprog/process.c
• 할 일:
  • process_wait: 자식 프로세스의 종료를 대기하고 상태 반환
  • process_exit: 프로세스 종료 시 자원 정리
• 관련 테스트 케이스:
  • wait-simple
  • wait-twice
  • wait-killed

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6. 파일 시스템 관련 시스템 콜 구현

• 핵심 파일: userprog/syscall.c, filesys/file.c
• 할 일:
  • create, remove, open, filesize, read, write, seek, tell, close 등의 시스템 콜 구현
  • 파일 디스크립터 테이블 관리
• 관련 테스트 케이스:
  • open-missing
  • close-twice
  • read-normal
  • write-normal

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7. 파일 디스크립터 관리

• 핵심 파일: userprog/syscall.c
• 할 일:
  • 각 프로세스마다 파일 디스크립터 테이블 유지
  • 파일 디스크립터와 실제 파일 구조체 간의 매핑 관리
• 관련 테스트 케이스:
  • open-twice
  • close-stdin
  • close-stdout

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8. 동기화 및 예외 처리

• 핵심 파일: userprog/syscall.c, threads/synch.c
• 할 일:
  • 파일 시스템 접근 시 동기화 처리 (락 사용)
  • 잘못된 포인터 접근 시 예외 처리
• 관련 테스트 케이스:
  • multi-oom
  • read-bad-ptr
  • write-bad-ptr

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테스트 실행 방법

• 전체 테스트 실행:

  make check

• 특정 테스트 실행:

  pintos -q run 'test-name'

  예를 들어, args-single 테스트를 실행하려면:

  pintos -q run 'args-single'

추가 (공식 문서 순서)

1. Argument Passing (인자 전달)
   • 모든 사용자 프로그램은 실행 초기에 argc, argv를 읽기 때문에 스택에 올바르게 인자들을 설정하지 않으면 페이지 폴트(page fault) 가 발생하게 됩니다.
   • 간단한 테스트를 위해 *esp = PHYS_BASE - 12;로 변경하여 시작할 수도 있어요.

2. User Memory Access (사용자 메모리 접근)
   • 사용자 스택에서 시스템 콜 번호 및 인자를 읽으려면, 사용자 메모리에 접근할 수 있어야 합니다.
   • get_user()와 put_user() 함수로 안전하게 접근하도록 구현하세요.

3. System Call Infrastructure 구축
   • 시스템 콜 번호를 읽고, 해당하는 핸들러로 디스패치하는 기본 골격을 syscall.c에 구축합니다.
   • 이 구조를 먼저 만들어 놓으면 이후 syscall 들을 하나씩 붙이기 쉬워요.

4. exit 시스템 콜
   • 모든 프로그램은 종료 시 exit()을 호출하므로, 가장 먼저 구현되어야 할 syscall 중 하나입니다.

5. write 시스템 콜
   • 대부분의 테스트 프로그램은 콘솔 출력이 필요하기 때문에, write() (특히 fd 1, 즉 콘솔)을 지원해야 정상 작동합니다.

6. process_wait() 무한 루프화
   • 초기에는 process_wait()를 무한 루프로 구현하여, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 기다리는 상황을 단순화하세요.