CPU는 컴퓨터의 모든 것을 직접적으로 가동하는 뇌🧠이다.
주된 역할은 명령어를 실행하는 것인데, 명령어들이 늘 차례대로 존재하는 것은 아니다.
이를 위해 CPU 내부에는 프로그램 카운터(PC) 라는 레지스터가 존재한다.
PC는 다음에 실행할 명령어의 메모리 주소를 저장하고 있으며,
CPU는 기본적으로 명령어를 점진적으로, 즉 순차적으로 실행한다고 가정한다.
하지만 실제로는 명령어들이 순서대로 실행되지 않는 경우도 자주 발생한다.
- 컴퓨터가 열심히 작업하고 있는데, 갑자기 사용자가 키보드를 누르거나 마우스를 움직이는 경우.
- 페이지 접속 시, 웹 서버와의 통신 문제, 잘못된 URL 입력 등
이 경우 컴퓨터는 잠시 하던 일을 멈추고 급한일을 먼저 처리해야 한다.
이처럼 일반적인 흐름을 벗어나 예외적으로 흐름이 변경되는 현상을
💢 예외적인 제어 흐름 (Exceptional Control Flow, ECF)
이라고 한다.
예외적인 제어 흐름은 어디에서 발생할까?
예외적인 제어흐름은 컴퓨터 시스템의 모든 수준에서 발생한다.
컴퓨터시스템은 크게 세가지 계층으로 나눌 수 있다.
- 하드웨어
- 운영체제
- 응용프로그램
예를 들어,
- 키보드를 누르는 경우는 하드웨어 수준에서 발생한 인터럽트
- 웹 서버와의 통신 문제는 응용 프로그램 수준에서 발생한 예외
하지만 현실에서는 각 계층이 긴밀하게 연결되어 협력하기 때문에,
어떤 계층에서 예외가 발생했는지 명확히 구분하기 어려운 경우도 많다.
💡 이벤트(event)
컴퓨터 안팎에서 발생한 변화나 요청을 알리는 신호로,
운영체제나 CPU가 특정 처리를 시작하게 만든다.
예외 상황이 발생하면 컴퓨터는 어떻게 처리할까?
컴퓨터는 다양한 예외 상황을 미리 가정하고, 각 상황에 맞는 처리 방법(핸들러)을 준비해 놓는다.
각 예외 상황에는 고유한 번호가 부여되며, 이 번호에 따라 적절한 예외 처리 함수(핸들러) 가 실행된다.
예외가 발생하면, CPU는 예외 테이블(exception table) 이라고 불리는
점프 테이블(jump table) 을 통해 해당 핸들러를 찾아 호출한다.
이러한 방식은 간접 프로시저 호출(Indirect Procedure Call)이라고 한다.
간접 프로시저 콜이란?
보통 우리가 함수를 부를 때는,print_hello();처럼 함수 이름을 직접 적어서 호출한다.
그런데 간접 호출은 이렇게 직접 이름을 부르는 게 아니라,
"주소를 따라가서 호출" 하는 방식이다.쉽게 말해,
"어떤 상황이 생기면 이 주소에 있는 함수를 실행해줘!"
라고 미리 정해두고, 그 주소를 나중에 따라가서 함수를 실행하는 거다.
예외 테이블
예외테이블은 다음과 같이 생겼다.
테이블의 왼쪽 숫자는 각각의 예외 상황에 부여된 고유 번호이며, 테이블에서의 인덱스이다.
우리는 이를 흔히 엔트리 k 라고 부른다.
가상 메모리에서의 주소 처럼,
엔트리 k = "가상번호" 로 이해하면 쉽다. 실제 주소를 따로 계산해주어야한다.
예외 테이블의 동작 방식을 살펴보자.
- 예외 번호(k) 를 이용해, 예외 테이블에서 엔트리 k의 실제 메모리 주소(a) 를 계산한다.
- 그 주소 a에 저장된 핸들러의 주소를 읽어온다.
- 해당 핸들러 주소로 점프해서 예외 처리 코드를 실행한다.
❓예외 테이블에서 주소는 어떻게 계산할까
예외 테이블(exception table)은 실제로는 메모리에 저장된 배열처럼 동작한다.
각 엔트리는 8바이트(64비트) 크기의 핸들러 주소를 저장하고 있다.
즉, k번째 예외 번호에 해당하는 엔트리의 주소는 다음과 같이 계산된다.
주소 = 예외테이블의 시작 주소 + ( k × 8)
(여기서 8은 각 엔트리의 크기(8바이트)를 의미한다.)
마무리 요약
- CPU는 기본적으로 명령어를 순차적으로 실행하지만, 예외적인 상황에서는 흐름이 중간에 바뀌기도 한다.
- 이런 흐름의 변화는 ECF 라고 불린다.
예: 사용자 입력, 네트워크 문제, 시스템 오류 등 - 예외 상황은 하드웨어 / 운영체제 / 응용프로그램 등 시스템의 모든 계층에서 발생할 수 있다.
- 이벤트가 발생하면, CPU는 예외 테이블을 통해 해당 예외 번호에 맞는 핸들러의 주소를 찾아간다.
- 이때 사용되는 방식이 바로 간접 프로시저 호출(Indirect Call) 즉, 함수 이름 대신 주소를 따라가서 함수를 호출하는 방식이다.
- 예외 테이블에서의 주소는 주소 = 예외테이블 시작 주소 + (k × 8) 로 계산된다. (k는 예외 번호)
💡 다음편 예고 (CSAPP 8.1장)
이제 우리는 "왜 흐름이 바뀌는가?"를 이해했으니,
이후엔 실제로 흐름을 바꾸는 기술들 인터럽트, 예외, 프로세스 컨텍스트 스위칭, 시그널 처리 등을 하나씩 파고들 예정이다.🐭
