🤔 Question 🙋🏻
🧑🏻🎓 : 나의 궁금증
각 프로세스에는 사용자 모드 스택과 커널 모드 스택이 있나요?
아니면 각 프로세스에는 사용자 모드 스택이 있고, 모든 프로세스가 공유하는 커널 모드 스택은 유일한가요?
✅ Answer 👨🏫
🧑🏻🔬 :
kernel stack과user stack은cpu processing mode에 따라 개별적으로 사용됩니다. 이 분할 상태를 통해 우리는 두 가지 모드(Kernel, User)를 쉽게 이해할 수 있습니다.
user stack과kernel stack이라는 두 개의 메모리 영역은 프로세스 실행 및 시스템 상호 작용 처리에 필수적인 기능을 수행합니다.
⛹🏻♂️ User Stack : User Mode 프로세스의 작업 공간 🏋🏻
User Stack 은 User Mode 에서 실행되는 각 프로세스에 할당된 개별 메모리 영역입니다. User Mode 코드 실행에 필수적인 다양한 요소를 위한 동적 저장 공간 역할을 합니다.
사용자 스택의 주요 구성 요소
-
지역 변수: 함수 내에서 선언된 변수와 해당 값은 사용자 스택에 저장됩니다.
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함수 매개 변수: 함수 호출 전에 함수에 전달되는 인수가 사용자 스택에 push됩니다.
-
프레임 포인터:
frame pointer는 스택 프레임 구조를 유지하여 중첩된 함수 호출에서 지역 변수 및 함수 매개 변수를 식별할 수 있도록 합니다. -
반환 주소: 함수실행이 끝나면 호출자의 위치를 나타내는 반환 주소가
User Stack에 push 됩니다. -
자동 변수: 함수 매개 변수 및 지역 변수를 포함하여 블록 범위 내에서 선언된 변수가 사용자 스택에 저장됩니다.
-
임시 값: 중간 결과 또는 함수 호출 간에 전달되는 값과 같은 임시 데이터가
User Stack에 저장될 수 있습니다.
🧱 블록 범위가 뭐지?!
- 함수 블록: 함수 블록은
{로 시작하고}로 끝나는 코드 블록입니다. 함수 내에서 선언된 모든 변수는 해당 함수 블록의 범위에 속합니다.
- 조건문 블록:
if,else,while과 같은 조건문 블록은()로 묶인 코드 블록입니다. 조건문 블록 내에서 선언된 변수는 해당 블록의 범위에 속합니다.
- 반복문 블록:
for,while,do-while과 같은 반복문 블록은()로 묶인 코드 블록입니다. 반복문 블록 내에서 선언된 변수는 해당 블록의 범위에 속합니다.
User Stack 작업
Stack 작업을 하려면 Stack Pointer 가 있어야 겠죠?
Stack Pointer 에 대해 알아봅시다! 📚 👈🏻
- x86 아키텍처:
ESP (Extended Stack Pointer): 32비트 모드에서 사용되는 스택 포인터입니다.
RSP (Register Stack Pointer): 64비트 모드에서 사용되는 스택 포인터입니다.
(PintOS) 에서는 RSP를 쓰겠군!
-
스택 포인터:
Stack Pointer는 특수 레지스터로서User Stack의 현재 상단을 추적하여 스택 요소에 대한 효율적인 액세스를 허용합니다. -
스택 푸시: 새로운 데이터가 스택 포인터를 감소시키고 데이터를 새 주소에 저장하여 스택의 상단에 추가됩니다.
-
스택 팝: 데이터가 스택 포인터 주소의 값을 읽고 스택 포인터를 증가시켜 스택의 상단에서 검색됩니다.
💂🏻 Kernel Stack: Kernel Mode 작업의 토대 👮🏻♂️
Kernel Stack은 OS 에 의해 독점적으로 사용되는 권한이 부여된 메모리 영역입니다. 커널 코드 실행과 시스템 상호 작용을 위한 작업 공간 역할을 합니다.
커널 스택의 주요 구성 요소:
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커널 코드 변수: 커널 함수 내에서 선언된 변수와 해당 값이
Kernel Stack에 저장됩니다. -
시스템 호출 매개 변수 및 반환 값: 시스템 호출에 전달되는 인수와 해당 반환 값이
Kernel Stack에 저장됩니다. -
커널 데이터 포인터:
프로세스 디스크립터및 메모리 관리 정보와 같은 커널 데이터 구조에 대한 포인터가 커널 스택에 저장됩니다. -
하드웨어 컨텍스트 정보: 인터럽트 발생 시점의 하드웨어 컨텍스트, CPU 레지스터, 프로그래머 카운터 등이 커널 스택에 저장됩니다.
🤯 프로세스 디스크립터? 🔛
파일 디스크립터 는 들어봤는데.. 그렇다면 FD랑 유사한 개념인가?!
프로세스 디스크립터 에 대해 간략하게 알아봅시다!
PID (Process Identifier) : 프로세스를 식별하는 고유한 숫자입니다.
메모리 할당 정보: 프로세스에 할당된 메모리 영역의 주소, 크기 및 사용 권한을 포함합니다.파일 디스크립터: 프로세스가 열어둔 파일과 관련된 정보를 포함합니다.프로세스 우선순위: 프로세스가 CPU 리소스를 얼마나 자주 사용할지 결정하는 값입니다.부모 프로세스: 프로세스를 생성한 프로세스의 PID를 포함합니다.자식 프로세스: 해당 프로세스를 생성한 자식 프로세스의 PID 목록을 포함합니다.프로세스 상태: 실행 중, 대기 중, 종료된 등 프로세스의 현재 상태를 나타냅니다.PID 🥊 🆚 🤜🏻 Process Discriptor
PID는
Process Discriptor의 고유한 식별자 역할을 하며,Kernel Stack에 저장된 커널 데이터 포인터를 통해Process Discriptor에 직접 접근할 수 있도록 합니다. 이를 통해 운영 체제는 프로세스를 효율적으로 관리하고 제어할 수 있습니다.
🛠️ 커널 스택 작업 🔧
- 스택 전환: 프로세스가
User Mode에서Kernel Mode로 전환될 때Kernel Stack Pointer으로 전환되어User Mode데이터에 대한 무단 액세스를 방지하고 격리합니다.
과정: 시스템 호출(syscall)이나 인터럽트가 발생하면, CPU는 현재 프로세스의 사용자 스택 포인터(esp 또는 rsp)를 저장하고, 커널 스택 포인터로 전환합니다. 이때 커널 스택은 프로세스 컨텍스트와 하드웨어 상태(레지스터 값 등)를 저장합니다.
- 인터럽트 처리: 인터럽트가 발생하면 CPU는 현재 실행 중인 코드의 상태를 저장하고
interupt handler를 호출합니다. 이 저장 작업은 커널 스택을 통해 이루어집니다.
인터럽트 처리 과정! 📈
- 인터럽트 발생: 하드웨어 장치(예: 디스크, 네트워크 카드 등)가 CPU에 인터럽트 신호를 보냅니다.
- 현재 상태 저장: CPU는 현재 프로세스의 레지스터 값, 프로그램 카운터(PC), 플래그 레지스터 등을 커널 스택에 저장합니다. 이는 인터럽트 발생 시점의 상태를 보존하여, 인터럽트 처리 후 원래 작업을 재개할 수 있도록 합니다.
- 인터럽트 핸들러 실행: 커널은 해당 인터럽트에 대한 인터럽트 핸들러(Interrupt Service Routine, ISR)를 실행합니다. 인터럽트 핸들러는 해당 인터럽트에 대한 특정 작업을 수행합니다.
- 인터럽트 처리 완료: 인터럽트 핸들러가 작업을 완료하면, CPU는 커널 스택에 저장된 이전 상태를 복원합니다.
- 원래 작업 재개: CPU는 인터럽트가 발생하기 전의 상태로 복귀하여, 중단되었던 사용자 모드의 작업을 계속 수행합니다.
User Stack 🆚 Kernel Stack: 간단 요약
User Stack
- 사용자 모드 코드에서 사용되는 스택
- 함수 매개 변수, 지역 변수, 임시 변수 등을 저장
- 각 함수 호출마다 생성 및 해제
- 사용자 모드 데이터에만 접근 가능
Kernel Stack
- 커널 모드 코드에서 사용되는 스택
- 시스템 호출 처리, 인터럽트 처리, 스택 전환 등에 사용
- 운영 체제 내내 유지
- 커널 데이터 및 사용자 모드 데이터에 접근 가능
스택 전환 과정에서 User Stack 포인터는 Kernel Stack 포인터로 전환되어 사용자 모드 데이터에 대한 무단 액세스를 방지합니다🙅🏻♂️
📊 정리정리 🧹
| 구분 | User Stack | Kernel Stack |
|---|---|---|
| 사용 모드 | 사용자 모드 | 커널 모드 |
| 용도 | 함수 실행, 변수 저장 | 시스템 호출, 인터럽트 처리, 스택 전환 |
| 생명 주기 | 함수 호출마다 생성 및 해제 | 운영 체제 내내 유지 |
| 데이터 액세스 | 사용자 모드 데이터만 | 커널 데이터 및 사용자 모드 데이터 |
