Project 2. User Prgrograms
과제를 하기 전에 가장 중요한 것 과제에 대한 큰 틀을 먼저 이해하기! 과제를 찬찬히 이해해보고 이 과제가 왜 중요하고, 왜 해야하는지 생각해보자.
GOAL: 사용자 프로그램을 실행할 수 있는 환경 구축하기
-> OS가 커널에서 벗어나서 실제 사용자 프로그램을 다룰 수 있도록
-> System Call 인터페이스 구현하기그렇다면 우리는 왜 시스템 콜을 구현해야 하는가?
: 사용자 프로그램은 os의 기능을 사용하기 위해 시스템 콜을 호출하고 이를 통해서 파일의 입출력, 프로세스 관리, 메모리 할당 등의 다양한 작업을 수행하기 때문에
=> 사용자 프로그램을 실행할 수 있는 환경 구축하기 !
: OS가 커널 코드 실행에서 벗어나서 실제 사용자 프로
그램을 다룰 수 있게끔
To run a program
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실행 파일을 디스크에서 읽어오기
: 운영체제는 디스크에서 실행 파일을 읽어와야 한다. Filesystem을 사용해서 파일을 찾아 읽어들인다. -> 파일 시스템은 파일의 위치를 추적하고 파일 내용을 메모리로 업로드한다.
=> 파일 시스템 issue 처리가 필요함 (예: 파일 권한 없거나 파일 손상 등) -
프로그램 실행을 위한 메모리 할당
: 메모리는 프로그램 코드, 데이터, 스택, 힙 등에 사용
=>virtual memory allocation
: 가상 메모리는 실제 물리적 메모리 주소와 독립적으로 프로그램에 큰 주소 공간 제공 -
프로그램에 매개 변수 전달
: 프로그램이 실행될 때 명령줄 인자와 같은 매개변수를 전달해야 함
=> set up user stack
=> 프로그램이 실행될 때 사용할 스택 설정 - 함수 호출, 지역 변수 저장, 매개 변수 전달 등에 사용 -
context switch to the user program
: 운영체제는 커널 모드에서 사용자 모드로 전환해서 프로그램 실행
-> OS는 프로그램이 종료될 때까지 대기함. 종료되면 이를 처리하고 할당된 자원을 반납함
Stack grows downward
: 스택은 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소로 확장된다.
함수 호출 시마다 스택 프레임이 추가되며 함수의 지역변수, 반환주소, 인자 등을 포함함
1. Passing the arguments and creating a thread
-
command line에서 명령어 실행하기
-
현재 Pintos 에서는 프로그램과 인자를 구분하지 못하는 구조다.
예를 들면$ls -a를 pintos에서는 하나의 프로그램명으로 인식한다.
=> 프로그램 이름과 인자를 구분해서 스택에 저장하고 인자를 프로그램에 전달해야 한다.
현재 pintos에서 사용자 프로그램을 실행하는 함수인
process_create_initd()는 인자로 전달된 명령어 문자열을 받아 새로운 프로세스를 생성하고 실행함.
tid_t
process_create_initd (const char *file_name) {
char *fn_copy;
tid_t tid;
/* Make a copy of FILE_NAME.
* Otherwise there's a race between the caller and load(). */
fn_copy = palloc_get_page (0);
if (fn_copy == NULL)
return TID_ERROR;
strlcpy (fn_copy, file_name, PGSIZE);
/* Create a new thread to execute FILE_NAME. */
/*tid : 쓰레드의 id -> 시스템에서 각 쓰레드를 고유하게 식별하는 값*/
tid = thread_create (file_name, PRI_DEFAULT, initd, fn_copy);
if (tid == TID_ERROR)
palloc_free_page (fn_copy);
return tid;
}
filename이 명령어 문자열이고, 프로그램의 이름과 인자 모두 포함된 하나의 문자열로 처리되고 있다.
사용자 프로그램을 실행할 때 호출되는process_exec() 도 마찬가지로 file_name 변수를 통해 전달된 문자열을 그대로 load() 함수에 전달하고 있음.
int
process_exec (void *f_name) {
char *file_name = f_name;
bool success;
/* We cannot use the intr_frame in the thread structure.
* This is because when current thread rescheduled,
* it stores the execution information to the member. */
struct intr_frame _if;
_if.ds = _if.es = _if.ss = SEL_UDSEG;
_if.cs = SEL_UCSEG;
_if.eflags = FLAG_IF | FLAG_MBS;
/* We first kill the current context */
process_cleanup ();
/* And then load the binary */
success = load (file_name, &_if);
/* If load failed, quit. */
palloc_free_page (file_name);
if (!success)
return -1;
/* Start switched process. */
do_iret (&_if);
NOT_REACHED ();
}
GOAL: 프로그램 이름과 인자를 구분해서 user stasck에 저장하고, 인자를 프로그램에 전달하기!
user program이 실행될 때의 흐름 이해가 중요하다.
-
init.c파일 안의main()함수
: 핀토스가 부팅되면main()함수 먼저 처리됨 -
run_actions(argv)
static void
run_actions (char **argv) {
/* An action. */
struct action {
char *name; /* Action name. */
int argc; /* # of args, including action name. */
void (*function) (char **argv); /* Function to execute action. */
};
/* Table of supported actions. */
static const struct action actions[] = {
{"run", 2, run_task}, /*action: run, argc: 2, function to execute: run_task*/: main()함수는 run_actions(argv)함수 호출하여 argv 기반으로 동작 수행 ->
: command line에서 run action을 준 경우 run_task함수가 실행
- 안의
run_task함수
static const struct action actions[] = { {"run", 2, run_task}, /*action: run, argc: 2, function to execute: run_task*/: run 동작이 요청되면
run_task함수가 실행됨.
->process_create_initd()함수를 호출하여 실제 사용자 프로그램 실행
process_create_initd()
: 사용자 프로그램을 실행하기 위한 초기 설정,initd함수 호출
/* A thread function that launches first user process. */
static void
initd (void *f_name) {
#ifdef VM
supplemental_page_table_init (&thread_current ()->spt);
#endif
process_init ();
if (process_exec (f_name) < 0)
PANIC("Fail to launch initd\n");
NOT_REACHED ();
}initd함수는process_exec()함수 호출하여 사용자 프로그램 실행
: 사용자 프로그램의 이름과 인자를 받아 처리
success = load (file_name, &_if);- 사용자 프로그램 로딩을 위해
load()함수 호출
: 사용자 프로그램 실행 파일을 메모리에 로드하고 Command line 인자들을 user stack에 저장하는 작업 수행 -> 인자들이 사용자 프로그램에 전달될 수 있게 된다!
ELF(Executable and Linkable Format) Binary
: os에서 실행 가능한 파일 형식 중 하나
→ 실행 파일, 오브젝트 파일, 공유 라이브러리, 코어 덤프 파일을 포함한 다양한 바이너리 파일을 표현하는데 사용
-
ELF header : 파일의 시작 부분, 파일의 구조와 구성요소에 대한 기본 정보 → 파일 타입, 머신 타입, 엔트리 포인트 주소
-
프로그램 헤더 테이블: 실행 파일이나 공유 라이브러리의 경우, 이 헤더는 운영체제에 프로그램 실행을 위해 필요한 정보를 제공함. → 메모리 매핑을 위한 세그먼트 정보가 포함됨
-
섹션 헤더 테이블: 오브젝트 파일의 경우, 이 헤더는 링커에게 필요한 정보 제공 → 코드, 데이터, 심볼 테이블 등의 섹션 정보
-
섹션: 실제 코드와 데이터가 포함된 부분
.text : 실행 코드
.data : 초기화된 데이터
.bss: 초기화되지 않은 데이터
.rodata: 읽기 전용 데이터
.symtab : 심볼 테이블
.strtab : 문자열 테이블
운영체제는 elf 형식의 실행 파일을 읽고, 필요한 메모리 영역에 적재하며, 프로그램을 실행할 준비를 해야 한다.
구현하기
process_create_intd
tid_t
process_create_initd (const char *file_name) {
char *fn_copy;
tid_t tid;
/* Make a copy of FILE_NAME.
* Otherwise there's a race between the caller and load(). */
fn_copy = palloc_get_page (0); //file_name의 복사본 저장 -> 페이지 크기의 메모리 할당
if (fn_copy == NULL) //메모리 할당에 실패하면
return TID_ERROR;
strlcpy (fn_copy, file_name, PGSIZE); //fn_copy에 file_name 복사
/*Argument Passing
file_name을 받아와서 null 기준으로 문자열 파싱
strtok_r(): 지정된 문자를 기준으로 문자열을 자름*/
char *parsing;
strtok_r(file_name, " ", &parsing);
/* Create a new thread to execute FILE_NAME. */
/*
tid : 쓰레드의 id -> 시스템에서 각 쓰레드를 고유하게 식별하는 값
initd: 새로 생성된 쓰레드가 실행할 함수, 전달될 인자: fn_copy
*/
tid = thread_create (file_name, PRI_DEFAULT, initd, fn_copy);
if (tid == TID_ERROR)
palloc_free_page (fn_copy);
return tid;
}char *parsing; strtok_r(file_name, " ", &parsing);:
strtok_r함수를 사용하여 file_name을 공백을 기준으로 파싱한다. 첫 번째 토큰 file_name을 남기고 나머지 문자열을 parsing에 저장한다.
process_exec
int
process_exec (void *f_name) {
char *file_name = f_name;
bool success;
/*Project2. Argument Parsing*/
char file_name_copy[128]; //원본을 복사할 배열의 크기는 최대 128 byte
memcpy(file_name_copy, file_name, strlen(file_name) + 1); //원본 문자열을 memcpy로 복사하고 1을 더해줘야 함(\0)
/* We cannot use the intr_frame in the thread structure.
* This is because when current thread rescheduled,
* it stores the execution information to the member. */
struct intr_frame _if;
_if.ds = _if.es = _if.ss = SEL_UDSEG;
_if.cs = SEL_UCSEG;
_if.eflags = FLAG_IF | FLAG_MBS;
/* We first kill the current context */
process_cleanup ();
/* And then load the binary */
success = load (file_name_copy, &_if);
/* If load failed, quit.
로드에 실패한 경우, 파일에 할당된 메모리 페이지 해제 */
palloc_free_page (file_name);
if (!success)
return -1;
hex_dump(_if.rsp, _if.rsp, USER_STACK - _if.rsp, true);
/* Start switched process. */
do_iret (&_if); //인터럽트 프레임에 저장된 상태 복원
NOT_REACHED ();
}
char file_name_copy[128]; //원본을 복사할 배열의 크기는 최대 128 byte memcpy(file_name_copy, file_name, strlen(file_name) + 1); //원본 문자열을 memcpy로 복사하고 1을 더해줘야 함(\0)수정 가능한 복사본 file_name_copy를 만든다.
file_name을 file_name_copy 배열에 복사하는데, 문자열의 문자와 마지막 null 종료 문자까지 포함해서 +1을 해서 복사한다.
그리고 elf 실행 파일을 메모리에 로드하고, 프로세스 실행한다. load가 성공적으로 끝났다면,
do_iret(&_if) 를 호출하여 인터럽트 프레임에 저장된 새로운 프로세스의 상태로 cpu의 레지스터 값을 복원한다. 새로운 프로세스로의 context switch!
생긴 의문
-
palloc_free_page(file_name_copy)가 아니라 palloc_free_page(file_name)?
file_name_copy배열은 함수가 종료될 때 자동으로 스택에서 해제. 스택 메모리는 함수 호출 시 할당되고, 해당 함수가 리턴되면 자동으로 해제되는 특성이 있다따라서
file_name_copy에 대해palloc_free_page()를 호출할 필요가 없다.
load()
char *token; //현재 토큰을 저장할 포인터
char *save_ptr; //strtok_r 함수가 내부적으로 사용하는 상태 정보를 저장할 포인터
char *argv[128]; //
uint64_t argc = 0; //토큰 개수
for (token = strtok_r(file_name, " ", &save_ptr); token != NULL; token = strtok_r(NULL, " ", &save_ptr)) {
argv[argc++] = token; // argv에 parsing된 현재 토큰 저장
...
argument_stack(argv, argc, if_);
}파일 이름에서 인자를 추출해서 argv 배열에 저장한다.
argv에 추후 프로그램에 전달될 인자들이 담긴다.
마찬가지로 strtok_r() 함수를 사용하여 공백 문자를 기준으로 인자를 분리해준다.
이때 argc는 파싱된 총 토큰의 개수가 된다.
argument_stack()
argv 배열에 저장된 인자들을 스택에 역순으로 삽입,
이후 각 인자의 주소를 스택에 삽입, 마지막으로 리턴 주소 설정
argv: 인자 문자열 배열, argc: 인자의 개수, if_: interrupt frame 구조체
void argument_stack(char **argv, int argc, struct intr_frame *if_){
char *arg_address[128]; /*각 인자의 주소를 저장할 배열*/
//스택은 높은 주소에서 낮은 주소로 쌓이기 때문에 역순으로 삽입
//argc -1 부터 0까지 역순으로 반복
for (int i = argc - 1 ; i >= 0 ; i--) {
int argv_len = strlen(argv[i]); //현재 인자의 길이(스택에 복사할 떄 필요한 공간을 확보하기 위함)
if_->rsp = if_->rsp - (argv_len + 1);
//현재 스택 포인터 = 스택 포인터를 [ 인자의 길이 + 1(NULL 문자)] 만큼 감소시킴
memcpy(if_->rsp, argv[i], argv_len + 1 ); //인자를 스택에 복사
arg_address[i] = if_->rsp; //복사된 인자의 시작 주소를 arg_address[i]에 저장
}
//8 byte Padding
//스택 포인터가 8바이트로 정렬되지 않은 경우 while문으로 계속 패딩
while(if_->rsp % 8 != 0) {
if_->rsp--; //스택 포인터 1 byte 감소 -> 스택의 높은 주소에서 낮은 주소로 이동하는 것
*(uint8_t *)if_->rsp = 0; //현재 스택 포인터가 가리키는 위치에 0 저장
}
//주소값 Insert
//if_->rsp: stack pointer, 현재 스택의 최상단
// argc부터 1씩 감소시키며 0까지 반복
for (int i = argc; i >=0; i--){
if_->rsp = if_->rsp - 8; //각 반복마다 스택 포인터를 8바이트 감소시킴
if (i==argc) {
memset(if_->rsp, 0, sizeof(char **));
//sizeof(char **): 포인터의 크기
//i==argc일 때 => NULL 포인터로 채움(끝 표시)
}
//실제 인자값의 주소 복사
else {
//memcpy 사용하여 arg_address[i]의 주소를 if_->rsp위치에 복사
memcpy(if_->rsp, &arg_address[i], sizeof(char **)); //실제 인자의 주소를 스택에 복사 - 8바이트를 복사
/* sizeof(char *)와 같은 결과 but 이중 포인터를 달*/
}
}
//모든 인자가 스택에 설정된 후에 스택 포인터를 다시 8바이트 감소시키고
//fake return address 를 스택에 저장
if_->rsp = if_->rsp - 8;
memset(if_->rsp, 0, sizeof(void *));
if_->R.rdi = argc;
if_->R.rsi = if_->rsp + 8;
}
사용자 스택에 command line의 인자들을 8 byte(64 bit니까) 정렬에 맞추어서 insert, 그리고 인자의 주소들을 스택에 insert, fake return address를 마지막으로 스택에 insert하는 함수다.
그리고 인자로는 argc와 argv[0]의 주소, 인자 배열의 시작 주소를 넘겨준다.
헷갈리 부분
memcpy(if_->rsp, &arg_address[i], sizeof(char **))
&arg_address[i]가char **타입 ⇒arg_address배열의i번째 요소의 주소를 복사하는 것
arg_address[i]는 char * 타입&arg_address[i]는 char ** 타입
둘 다 포인터이기 때문에 size는 8바이트로 동일하긴 함.
uint8_t
포인터 캐스팅: 특정 메모리 주소를 다른 타입의 포인터로 변환하는 과정
void *ptr = some_address; // 어떤 메모리 주소를 가리키는 void 포인터 uint8_t *byte_ptr = (uint8_t *)ptr; // 이 주소를 uint8_t 타입의 포인터로 캐스팅void 포인터는 어떤 타입의 데이터도 가리킬 수 있는 일반적인 포인터 하지만 직접 메모리 접근은 불가능하다.
void *포인터는 타입이 없기 때문에 이를 통해 메모리에 접근하려면 특정 타입으로 캐스팅해야 함
(uint8_t *)ptr는ptr을uint8_t타입의 포인터로 변환이렇게 하면 해당 메모리 주소를
uint8_t타입의 데이터로 접근할 수 있게 된다.
uint8_t *byte_ptr는 1바이트 크기의 부호 없는 정수를 가리키는 포인터. 이 포인터를 사용하면 메모리 주소를 1바이트 단위로 접근할 수 있다.
이렇게 하고,
process_wait()
함수를 수정해주어야 한다.
현재 핀토스에서는 사용자 프로세스를 생성하고 나서 프로세스 종료를 대기할 때, 자식 프로세스가 종료될 때까지 대기하는 기능이 구현되어 있지 않다.
따라서 임시로 코드를 넣어준다.
int
process_wait (tid_t child_tid UNUSED) {
/* XXX: Hint) The pintos exit if process_wait (initd), we recommend you
* XXX: to add infinite loop here before
* XXX: implementing the process_wait. */
for (int i = 0; i < 100000000; i++)
{
}
return -1;
}그러면 process_exec에 넣어준 hex_dump 코드를 통해 현재 사용자 스택의 상태를 확인할 수 있게 된다!
참고
memset 함수
: 특정 메모리 영역을 주어진 값으로 채우는 데 사용
void *memset(void *s, int c, size_t n);void *s : 값을 설정할 메모리의 시작 주소
int c : 메모리에 설정할 값. 이 값은 unsigned char로 변환되어 사용된다.
size_t n : 설정할 바이트의 수.
memset(buffer, 0, 10); 은 buffer의 시작부터 10바이트를 0으로 채우는 것 -> 이는 주로 메모리를 초기화할 때 사용된다.
memcpy 함수
: 하나의 메모리 영역에서 다른 메모리 영역으로 데이터 복사하는데 사용
void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);void *dest : 데이터를 복사할 대상 메모리 영역의 시작 주소.
const void *src : 복사할 데이터의 원본 메모리 영역의 시작 주소
size_t n : 복사할 바이트의 수
memcpy의 경우, memcpy(dest, src, 10);은 src에서 dest로 10바이트를 복사. 이는 데이터를 한 위치에서 다른 위치로 이동시키거나 복제할 때 사용된다
- memset: 메모리 영역을 특정 값으로 초기화하는데 사용
- memcpy: 메모리 영역에서 다른 메모리 영역으로 데이터를 복사하는데 사용
