시스템 콜, System Call
시스템 호출(system call)은 운영 체제의 커널이 제공하는 서비스에 대해, 응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스이다.
사용자 프로그램이 디스크 파일을 접근하거나 화면에 결과를 출력하는 등의 작업이 필요한 경우, 즉 사용자 프로그램이 특권 명령의 수행을 필요로 하는 경우, 운영체제에게 특권 명령의 대행을 요청하는 것이 시스템 콜이다.
- 통상적으로 시스템 콜은 여러 종류의 기능으로 나누어진다.
- 각 시스템 콜에는 번호가 할당되고 시스템 콜 인터페이스는 시스템 콜 번호와 시스템 콜 핸들러 함수 주소로 구성되는 시스템 콜 테이블을 유지한다.
- 운영체제는 자신의 커널 영역에서 해당 인덱스가 가리키는 주소에 저장되어 있는 루틴을 수행한다.
- 작업이 완료되면 CPU에게 인터럽트를 발생시켜 수행이 완료 되었음을 알린다.
open() 의 호출
- open() 이라는 시스템 콜의 인덱스가 가리키는 곳에 이에 대한 처리 과정이 저장되어 있다.
경우에 따라 시스템 콜이 발생했을 때, 추가적인 정보가 필요할 수도 있는데 그러한 정보가 담긴 매개변수들을 OS 에 어떻게 전달할까?
- 매개변수를 CPU 레지스터에 전달한다.
- 전달해야 하는 매개변수 보다 레시스터의 수가 작을 수 있다.
- 매개변수를 메모리에 저장해 해당 메모리의 주소를 레지스터에 전달 할 수 있다.
- 매개변수는 프로그램에 의해 스택(stack)에 전달(push) 될 수도 있다.
- 2,3 번의 경우 매개변수의 갯수나 길이의 제한이 없기 때문에 선호되는 방식이다.
시스템 콜 예시
- in.txt에 있는 파일내용과 같은 내용을 복사하여 out.txt 파일을 만드는 것
리눅스 터미널에 위와 같은 명령어를 입력한다면 이때 순차적으로 호출되는 시스템 콜은 어떤 것이 있을까?
- 먼저 사용자로부터 입력을 받는데 이때 I/O 시스템 콜 호출이 필요하다.
- 이후 'cp' 프로그램을 실행시키면 먼저 'in.txt' 파일이 현재 디렉토리에서 접근 가능한지를 확인하기 위한 시스템 콜이 호출된다.
- 이때 접근이 불가능하다면 에러를 발생시킨 후 프로그램이 종료되는데 이때 시스템 콜이 호출된다.
- 파일이 존재해 접근 가능하다면 복사한 파일을 저장하기 위해 'output.txt' 파일명이 있는지 검사하기 위한 시스템 콜이 호출된다.
- 이 때도 마찬가지로 이 파일 명이 존재하는지 존재하지 않는지 검사하기 위해 시스템 콜을 통해 확인한다.
- 만약 파일 명이 이미 존재한다면, 덮어 씌워야 할지 아니면, 이어서 붙여야 하는지 User에게 물어볼 수 있는데 만약 저장하고자 하는 파일 이름이 겹치지 않다면, 파일을 저장해야 하는데 이 때도 시스템 콜을 이용한다.
시스템 콜이 필요한 이유
우리가 일반적으로 사용하는 프로그램은 '응용 프로그램' 이다. 유저레벨의 프로그램은 유저레벨의 함수들 만으로는 많은 기능을 구현하기 힘들기 때문에, 커널(kernel) 의 도움을 반드시 받아야 한다. 이러한 작업은 응용프로그램으로 대표되는 유저 프로세스(User Process)에서 유저모드에서는 수행할 수 없다. 반드시 kernel에 관련된 것은 커널모드로 전환한 후에야, 해당 작업을 수행할 권한이 생긴다.
그렇다면 권한은 왜 필요한 것일까?
그 이유는 만약 권한이 없을 때, 해커가 피해를 입히기 위해 악의적으로 시스템 콜을 사용하는 경우나 초보 사용자가 하드웨어 명령어를 잘 몰라서 아무렇게 함수를 호출했을 경우에 시스템 전체를 망가뜨릴 수도 있기 때문이다. 따라서 이러한 명령어들은 특별하게 커널 모드에서만 실행할 수 있도록 설계되었고, 만약 유저 모드에서 시스템 콜을 호출할 경우에는 운영체제에서 불법적인 접근이라 여기고 trap을 발생시킨다.
시스템 콜의 유형
프로세스 컨트롤
- 프로세스 생성 및 종료
- 메모리에 로드, 실행
- 프로세스 속성 값 확인, 지정
- wait 이벤트, signal 이벤트
- 메모리 할당
- 예) fork, wait, exec 등
파일 매니지먼트
- 파일 생성, 파일 삭제
- 열기, 닫기
- 읽기, 쓰기, Reposition
- 파일 속성 값 확인, 지정
- 예) open, read, write, close 등
디바이스 매니지먼트
- 디바이스 요청 및 해제
- 읽기, 쓰기, Reposition
- 디바이스 속성 확인, 지정
- 비 물리적인 디바이스 해제 및 장착
정보 관리
- 시간 확인, 시간 지정
- 시스템 데이터 확인, 지정
- 프로세스, 파일, 디바이스 속성 가져오기
- 프로세스, 파일, 디바이스 속성 설정하기
통신
- 커뮤니케이션 연결 생성 및 삭제
- 메시지 송신, 수신
- 상태 정보 전달
- remote 디바이스 해제 및 장착
보안
- Permission 획득
- Permission 설정
유저 모드와 커널 모드
유저 모드
PC register 가 사용자 프로그램이 올라가 있는 메모리 위치를 가리키고 있을 때 현재 사용자 프로그램을 수행중이라고 하며 CPU 가 유저모드에서 수행중이라고 말한다.
커널 모드
PC register 가 운영체제가 존재하는 부분을 가리키고 있다면 현재 운영체제의 코드를 수행중이라고 하며 CPU가 커널모드에서 수행중이라고 말한다.
일반 명령과 특권 명령
- CPU 내에 모드 비트를 두어서 구분한다.
- 0 - 커널모드 / 1 - 유저모드
일반 명령 (유저 모드)
메모리에서 자료를 읽어와서 CPU 에서 계산하고 결과를 메모리에 쓰는 일련의 명령들, 모든 프로그램이 수행 가능하다.
특권 명령 (커널 모드)
보안이 필요한 명령, 입출력 장치, 타이머 등 각종 장치에 접근하는 명령
Reference
