시작.

pintos를 딱 시작하면 뭐 해야하지 라는 생각이 매우 크게 든다.
그럼 시작 전에 알면 좋은 지식과 배경 지식을 학습해보자

pintos가 뭘까

진짜 OS임! OS니까 커널이 있음!
→ 직접 커널을 만들고, 그걸 부팅해서 디버깅하는 프로젝트!!!

즉

Pintos는 운영체제(OS)의 근본 개념을 직접 구현하고 실험해보는 학습 플랫폼. 단순히 이론을 배우는 것이 아니라, 다음과 같은 핵심 기능을 직접 만들어보며 체득할 수 있도록 구성

• 스레드 관리와 CPU 스케줄링
• 시스템 콜 처리
• 사용자 프로세스 실행
• 가상 메모리 관리
• 파일 시스템 구현

pintos의 디렉터리 구조

pintos/
├── threads/          ← Project 1: 스레드, 스케줄링, 동기화
├── userprog/         ← Project 2: 사용자 프로그램 실행, 시스템 콜
├── vm/               ← Project 3: 가상 메모리
├── filesys/          ← Project 4: 파일 시스템
├── devices/          ← I/O 장치 코드 (공통 사용)
├── lib/              ← Pintos 내부 라이브러리
├── lib/kernel/       ← 커널 전용 라이브러리
├── tests/            ← 프로젝트별 테스트
├── examples/         ← 사용자 프로그램 예제
└── Makefile          ← 빌드 설정

디렉터리 구조도 한번 알아보자.

pintos의 환경!

QEMU??

CPU, 메모리를 가짜로 만들어서 운영체제를 실행시켜주는 에뮬레이터/가상화 도구!

• x86, ARM, RISC-V 등 다양한 CPU 아키텍처 에뮬레이션 가능
• 실제 하드웨어 없이도 리눅스, 윈도우, 커널 등 실행 가능
• 주로 커널 개발, OS 연구, 크로스 플랫폼 테스트에 많이 씀

시스템 계층 구조를 알아보자!

┌──────────────────────────────────────┐
│           물리 하드웨어 (Host PC)       │ 
│  ┌────────────────────────────────┐  │
│  │    도커 (우분투(코드 작성,컴파일))    │  │
│  │  ┌──────────────────────────┐  │  │
│  │  │     QEMU (가상 CPU 등)     │  │  │
│  │  │  ┌────────────────────┐  │  │  │
│  │  │  │ Pintos 커널 (C로 짠) │  │  │  │
│  │  │  └────────────────────┘  │  │  │
│  │  └──────────────────────────┘  │  │
│  └────────────────────────────────┘  │
└──────────────────────────────────────┘

(도커기준) 전체 흐름을 알아보자

우분투 (개발환경)
 └── 코드 작성 + 컴파일 (make)
     └── kernel.bin 생성
         └── QEMU 실행 (pintos 스크립트가 실행)
             └── QEMU 안에서 Pintos 커널 부팅
                 └── Pintos 안에서 테스트 실행

중요한 것.
우리는 우분투,도커의 환경에서 코딩을하고, 컴파일을하고, 기타 등등 활동을 진행!
make check를 통해 QEMU를 실행하는 것!! 그 위에 pintos 커널을 돌리는 것!!!!!!
우분투에서 프로그램을 실행시켜본다 생각하면 편하다!!

Pintos는 리눅스에서 실행되는 게 아니라, QEMU에서 독립적으로 부팅되는 “OS 커널”이다.
단지 그 커널을 만들고 실행 명령 내리는 개발 환경이 우분투(리눅스)이다!

뭘 해야할까?

흐름만 파악해보자!!!!

단계	주제	구현 목표	학습 키워드	난이도
1	Threads	커널 수준 스레드와 스케줄러 구현 및 개선	thread, priority scheduling, semaphore, lock, condition variable	⭐
2	User Programs	사용자 프로그램 로딩, 시스템 콜 처리	system call, process, exec, wait, user-kernel mode	⭐⭐
3	Virtual Memory	가상 메모리 구조 및 페이지 교체 구현	virtual address, page fault, page table, swap, lazy loading	⭐⭐⭐
4	File System	파일 시스템 기능 구현 및 성능 향상	inode, buffer cache, file descriptor, directory, disk I/O	⭐⭐⭐⭐

Project 1: Threads

• 목표: 커널 스레드를 만들고, 스케줄링 정책을 직접 구현합니다.
• 해야 할 일:
  • thread_create()로 새로운 스레드 생성
  • priority scheduling과 alarm clock 구현
  • 동기화 기법(semaphore, lock, condvar) 이해 및 구현
• 핵심 학습: 병행성(concurrency), 스케줄러, 인터럽트 제어

Project 2: User Programs

• 목표: 사용자 프로그램을 로딩하고 시스템 콜 인터페이스를 구현합니다.
• 해야 할 일:
  • ELF 바이너리 파싱하여 메모리에 로딩
  • exec, exit, wait 구현
  • 파일 시스템 접근을 위한 시스템 콜(read, write, open) 구현
• 핵심 학습: 사용자 모드 ↔ 커널 모드 전환, 인터럽트 핸들링, 프로세스 제어

Project 3: Virtual Memory

• 목표: 페이지 단위 메모리 관리, 스왑 및 페이지 교체 알고리즘 구현
• 해야 할 일:
  • page fault 발생 시 핸들러 작성
  • lazy loading, stack growth, swap-in/out 구현
  • 페이지 교체 알고리즘 (clock, FIFO 등) 선택적 구현
• 핵심 학습: 주소 공간 구조, TLB, 페이지 테이블

Project 4: File System

• 목표: 파일 시스템을 개선하고 성능을 향상시킵니다.
• 해야 할 일:
  • 파일 및 디렉터리 생성/삭제
  • inode, sector, block 직접 다루기
  • buffer cache로 성능 최적화
• 핵심 학습: 지속성(persistence), 디스크 I/O, 데이터 무결성

알면 좋은 내용!!

인터페이스? 레이어?

약속! 어떤 기능에 대한 약속과 추상화!!!
어떻게 사용지하는지 알지만 돌아가는 구조는 모르는 것!

인터페이스 종류	예시
프로그래밍 인터페이스	함수 호출, API, 메서드 명세
하드웨어 인터페이스	USB 포트, HDMI
소프트웨어 인터페이스	리눅스 시스템 콜, 라이브러리 헤더
사용자 인터페이스	CLI, GUI, 앱 UI

레이어?

자기 자신의 층만 보는 것!!!

기능을 분리하거나, 단계를 분리하는 것

레이어는 자기와 아래 단계 레이어만 생각하고 동작하는 것!!!!

• HTTP는 IP가 뭔지 몰라도 동작함
• IP는 전선이 뭔지 몰라도 패킷 보냄

→ 인터페이스 + 레이어 구조 덕분!!

즉!!!

1. 어디를 공부 해야하고 봐야하는지 구분하고!
2. 어디까지 알아야 하는지 판단하고
3. 나의 레이어가 아닌 것은 인터페이스를 통해 잘 활용하기!!
4. 내가 책임져야 할 부분을 구분하는 것! 아닌 부분은 신경쓰지 말기!!

레이어와 인터페이스를 구분하지 못하면!
1. 코드를 전체를 다 보다가 회사 짤리고!
2. 상위 기능을 고치면 아래의 기능이 망가지고!
3. 문제가 많이 생긴다!!!

pintos에서 보면?

• threads/, userprog/, vm/, filesys/ 는 각각 레이어
• 각 주제는 아레의 레벨을 감싸는 상위 인터페이스를 제공!
• 이 구조 덕분에, 하나만 집중해서 수정하고 분석 가능!

filesys/
  ↑
vm/
  ↑
userprog/
  ↑
threads/

즉!! 각 단계가 진행이 안된다면 다음 단계를 진행할 수 없음!!
다음 단계에서는 이전 단계를 함수 호출만 해서 사용!!

레이어	주요 인터페이스	설명
threads/	thread_create, schedule, timer_sleep	커널 스레드, 타이머
userprog/	process_execute, syscall_handler	유저 프로그램 실행, 시스템 콜
vm/	vm_install_page, page_fault_handler	페이지 매핑, 페이지 폴트 처리
filesys/	filesys_create, file_read, file_write	파일 열고 쓰고 지우기 등

GDB에 대해서 알아보자

GNU 디버거(GNU Debugger)
-> 프로그램을 멈추고 하나하나 확인하는 것!

명령어	설명
break <라인번호/함수>	중단점 설정
run	프로그램 실행
next / n	다음 줄 실행 (함수 안으로는 안 들어감)
step / s	다음 줄 실행 (함수 내부로 들어감)
continue / c	다음 중단점까지 실행
print <변수>	변수 값 출력
bt / backtrace	함수 호출 스택 추적
list	현재 실행 위치 근처 코드 보기
info locals	지역 변수들 보기
quit	GDB 종료

예시를 들어보자
ex) segmentation fault 발생

# 컴파일 할 때 디버깅 정보 넣기
gcc -g mycode.c -o myprog

# gdb ./myprog

# break → run → step → print
(gdb) break main       # main 함수에 중단점 설정
(gdb) run              # 실행
(gdb) step             # 한 줄씩 실행
(gdb) print x          # 변수 x 값 출력

# 에러 발생 부분 확인! 
(gdb) backtrace        # 함수 호출 스택 추적

# 이상한 포인터나 배열 접근이 있는지 확인
(gdb) list
(gdb) print ptr

pintos에서 GDB 사용법

→ QEMU로 실행되니까 원격 디버깅 형태로 붙여한다

즉 호스트 컴퓨터에서 GDB써야한다! (원격으로 도커 안에 접속해서)

안에서 QEMU 실행 + 밖에서 GDB 연결” 이 원칙

아닐 수도 있음. 참고용.

Makefile, Build 시스템 구조

자동 빌드 스크립트! makefile을 읽고 어떤 파일을 컴파일할지 결정!
소스 → 목적 파일 → 실행 파일 흐름으로 진행

빌드 시스템 구조

📁 src/
  └─ 📁 threads/
      ├─ Makefile        ← 해당 디렉토리용 빌드 규칙
      ├─ *.c, *.h        ← 소스파일
      └─ 📁 build/       ← 생성된 목적파일과 실행파일
           ├─ *.o
           ├─ kernel.o
           └─ kernel.bin ← 실제 커널 이미지

포인터

포인터는 메모리 주소를 저장하는 변수

즉. 데이터의 값이 아니라 데이터가 있는 위치를 기억!

예시

int x = 42;
int *p = &x;  // p는 x의 주소를 저장함

• x: 정수값 42를 저장
• &x: x의 주소
• p: x의 주소를 저장하는 포인터
• p: 포인터가 가리키는 값, 즉 42

pintos에서 포인터

구조체 리스트, 락 구조체, 페이지 테이블 항목에서 많이 쓰인다!

컴퓨터 흐름이랑 같이 보기

커널

시스템 콜

시스템 콜은 사용자 프로그램이 운영체제 커널에게 특권 기능(파일 입출력, 메모리, 프로세스 등)을 요청하는 방법

사용자 프로그램은 직접 하드웨어를 다룰 수 없기 때문에, 운영체제에게 “이거 해주세요!” 하고 요청하는 것!

동작 흐름

1. 사용자 프로그램이 시스템 콜 함수 호출

   → 예: write(fd, buf, size)

2. 인터럽트(Interrupt 0x30) 발생시켜 커널 진입

   → Pintos에서는 syscall_handler()로 진입

3. 커널에서 시스템 콜 번호 확인 후 해당 함수 실행

   → 예: SYS_WRITE → sys_write() 호출

4. 필요한 리소스(파일, 메모리 등) 접근

   → 파일 디스크, 페이지 테이블 등 내부 자료구조 사용

pintos에서의 시스템 콜

• 인터럽트 번호: 0x30
• 인터럽트 핸들러 위치: userprog/syscall.c
• syscall 번호는 enum으로 정의됨:

주로 사용하는 시스템 콜

시스템 콜	기능	호출 예시
halt()	시스템 종료	halt();
exit(status)	프로세스 종료 및 상태 반환	exit(-1);
exec(cmd_line)	새로운 유저 프로세스 실행	exec("echo hello");
wait(pid)	자식 프로세스 종료까지 대기	wait(pid);
read(fd, buffer, size)	파일 읽기	read(0, buf, 100);
write(fd, buffer, size)	파일 쓰기	write(1, msg, len);
create(file, size)	새 파일 생성	create("abc.txt", 1024);
open(file)	파일 열기	open("abc.txt");
close(fd)	파일 닫기	close(fd);