CSAPP 8장 | 예외는 어떻게 정의되고, 어떻게 처리될까?

맹쥐·2025년 4월 22일

정글-개발일지

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지난 이야기 ➡️ CSAPP 8장 준비 | 예외적인 제어 흐름(ECF)이란? – 시스템 흐름이 깨지는 순간들

지난 글에서 예외상황이 무엇인지, 이를 어떻게 처리하는지 살펴보았다.
이번에는

실제로 예외상황을 누가 정의하고, 처리하는 것인지,
예외상황의 종류가 어떤 것이 있는지

살펴보자.

컴퓨터시스템은 크게 세가지 계층인 하드웨어/운영체제/응용프로그램 으로 나눌 수 있으며,
예외적인 제어흐름은 컴퓨터 시스템의 모든 수준에서 발생한다고 언급한 적이 있다.

한 시스템 내에서 가능한 예외상황의 종류마다 중복되지 않는 양의 정수를 예외번호로 할당하고 있다.

예외번호는 누가 정의하고, 누가 처리할까?

컴퓨터 시스템은 크게 하드웨어 / 운영체제 / 응용프로그램 세 가지 계층으로 나뉘며,
예외적인 제어 흐름(ECF)은 이 모든 계층에서 발생할 수 있다.
(👉 지난 글에서 다뤘던 내용!)

시스템은 다양한 예외 상황들을 구분하기 위해, 각 예외에 고유한 예외 번호(양의 정수) 를 부여해 관리한다.

하지만 여기서 한 가지 꼭 짚고 넘어가야 할 점이 있다.

예외를 정의하는 주체와
예외가 실제로 발생했을 때 처리하는 주체는 다를 수 있다!

(CSAPP 책에서는 이 부분이 명확히 나뉘어 있지 않아서 처음 볼 때 매우 헷갈렸다.😵‍💫)

예외번호는 누가 정의할까?

예외번호는 시스템의 구조에 따라 하드웨어와 소프트웨어가 역할을 나눠 정의한다.
각자의 책임을 명확히 하기 때문이다.

예시를 살펴보자.

예) 예외 번호의 분배 (일반적인 x86 시스템 기준)

1번 ~ 31번: 하드웨어가 정의한 예외 번호  
→ 예: 0번은 "0으로 나누기", 14번은 "페이지 폴트(page fault)"

32번 ~ 127번: 운영체제가 정의한 예외 번호  
→ 예: 타이머 인터럽트, 키보드 입력, 디스크 I/O 등

128번 이상: 사용자 프로그램이 사용하는 번호  
→ 예: 시스템 호출 시 128번 사용 (int $0x80)

※ 정확한 번호 범위는 시스템에 따라 달라질 수 있음.

이렇게 번호를 구분해두면, 서로 충돌 없이 예외를 처리할 수 있고,
운영체제는 예외번호만 보고 어떤 계층에서 발생했는지 빠르게 판단할 수 있다.

예외는 누가 처리할까?

예외가 실제로 발생했을 때는,
그걸 직접 처리하는 주체는 대부분 운영체제(OS) 다.

예외 발생 → CPU는 예외 번호를 확인

예외 테이블(IDT)에서 해당 번호에 연결된 핸들러 주소를 찾음

그 핸들러 주소로 점프(jump)

해당 위치에 있는 코드(예외 처리 루틴)는 운영체제가 작성한 것

📌 예외번호는 하드웨어와 OS가 함께 정의하지만,
예외가 실제로 발생했을 때 행동하는 건 운영체제다.

요약 정리

구분	예외 번호 정의 주체	예외 처리 주체	예시
예외 번호 0~31	하드웨어(CPU)	운영체제(OS)	Divide Error, Page Fault
예외 번호 32~127	운영체제(OS)	운영체제(OS)	타이머, 키보드, 디스크 등
예외 번호 128 이상	응용프로그램	운영체제(OS)	시스템 호출 (int $0x80)

예외상황의 정의와 처리 주체에 대해 알아봤다.
이제는 예외 상황을 성격에 따라 어떻게 분류하는지 살펴보자.

🚩 예외의 종류

예외 상황은 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있다.

외부에서 발생하는 👉 인터럽트 (Interrupt)
CPU가 실행 중인 명령어 때문에 발생하는 👉 예외 (Exception)

이 중 예외(Exception) 는 다시 세 가지로 나뉜다.

트랩 (Trap)
오류, 폴트 (Fault)
중단, 어보트 (Abort)

즉, 총 네 가지 종류로 구분할 수 있다.

1.인터럽트

인터럽트는 컴퓨터 외부(입출력 디바이스)에서 보내는 신호 때문에 발생한다.
지금 CPU가 뭐 하고 있든 말든,그냥 갑자기 툭! 끼어드는 거다.
그래서 인터럽트는 비동기적(asynchronous) 으로 발생한다고 한다.

<비동기/동기>

비동기 (자기 잘못 없음)
지금 CPU가 어떤 명령어를 실행 중이든 상관없이 발생
→ 예: 키보드를 누르거나 마우스를 움직이는 순간 발생하는 인터럽트
동기 (자기 잘못)
CPU가 지금 실행 중인 명령어 때문에 발생
→ 예: 0으로 나누기!, 잘못된 메모리 접근 같은 오류
</비동기/동기>

현재 인스트럭션을 실행하다가 인터럽트가 발생하면,
예외번호를 읽어 적절한 핸들러를 호출한다.
그다음 할일을 다 끝내면 다음 인스트럭션으로 돌아간다.

2. 트랩과 시스템콜

트랩은 일부러 흐름을 바꾸기 위한 예외다.
오류가 아니라, 말 그대로 “의도된 점프”에 가깝다.

대표적인 예가 바로 시스템 콜(system call) 이다.
그런데 시스템 콜을 이해하려면, 먼저 유저 모드와 커널 모드에 대해 간단히 짚고 넘어가야 한다.

💡 유저 모드와 커널 모드

사용자 프로그램은 마음대로 운영체제의 핵심 기능에 접근할 수 없다.
왜냐하면 운영체제는 컴퓨터 전체를 관리하는 아주 중요한 영역이기 때문이다.

마치 “컴퓨터의 관리실” 같은 공간인데,
아무나 막 들어가게 하면 컴퓨터가 망가질 수도 있으니까,컴퓨터는 두 개의 실행 모드를 만들어서 구분한다.

[ 유저 모드 ]
→ 일반 사용자 프로그램이 동작하는 안전한 공간

[ 커널 모드 ]
→ 운영체제만 접근할 수 있는 강력한 관리자 권한 영역

즉, 우리가 printf() 같은 함수를 호출할 때
그 내부적으로는 운영체제의 파일 출력 기능을 쓰기 때문에,
유저 모드에서는 직접 할 수 없고, 커널 모드의 도움이 필요하다.

이럴 때 사용하는 게 바로 시스템 콜(system call) 이다.
시스템 콜은 "운영체제야, 이 작업 좀 대신 해줘!" 하는 공식적인 요청 방식이다.

이때 유저 모드에서 커널 모드로 넘어갈 수 있는 통로를 열어주는 역할이 바로 트랩(Trap) 이다.

트랩 명령어를 통해 운영체제에게 요청을 보내면,
운영체제가 해당 작업을 처리한 뒤 다시 유저 모드로 돌아온다.

3. 오류 (fault)

오류(fault)는 핸들러가 정정할 수 있다는 가정하에 발생한다.
쉽게 말하면, 복구 시도는 해본다.

대표적인 예로 페이지 폴트(Page Fault) 가 있다.
페이지 폴트는, 프로그램이 아직 메모리에 로드되지 않은 주소에 접근하려 할 때 발생한다.
운영체제는 디스크에서 해당 페이지를 메모리로 불러오고,
그 후 CPU는 같은 명령어부터 다시 실행하게 된다.