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System Call

시스템 콜(System Call)

• 프로세스가 컴퓨터를 관리하는 시스템인 운영체제에게 어떤 기능(서비스)를 사용 요청 -> 커널과 사용자 프로그램을 이어주는 인터페이스 역할
• 운영체제는 컴퓨터를 실행 및 사용하게 해주는 프로그램이라면 시스템 콜은 프로세스가 운영체제에게 운영체제 기능을 요청하는 것
• 기본적으로 파일을 읽고, 메모리에 데이터를 올리는 것은 운영체제의 역할이고 프로세스는 관리자는 운영체제에게 허락을 요청받기 위해 시스템 콜로 하여금 허락을 요청한다
• 파일 뿐 아니라 운영체제가 관리하는 모든 자원(네트워크, 디스크, 메모리 등)이 필요할때 프로세스는 시스템 콜을 사용해야 함 -> User mode에서 사용이 불가능한 Protected Instruction을 사용하기 위해 OS가 제공하는 system call을 이용하여 커널모드로 switch 할때 사용(시스템 콜을 호출하면 User mode에서 Kernel mode로 Context Switch가 발생)
• 시스템 콜은 커널 영역의 기능을 사용자 모드가 사용가능하도록 프로세스가 하드웨어에 직접 접근해서 필요한 기능을 사용할 수 있게 해주는 것으로 동작 과정은 기술하였음

시스템 콜 유형 및 종류

1. 프로세스 제어 (Process Control)

• 끝내기(exit), 중지(abort)
• 적재(load), 실행(execute)
• 프로세스 생성(create process) - fork
• 프로세스 속성 획득과 설정(get process attribute and set process attribute)
• 시간 대기(wait time)
• 사건 대기(wait event)
• 사건을 알림(signal event)
• 메모리 할당 및 해제(malloc, free)

2. 파일 조작(File Manipulation)

• 파일 생성(create file), 파일 삭제(delete file)
• 열기(open), 닫기(close)
• 읽기(read), 쓰기(write), 위치 변경(reposition)
• 파일 속성 획득 및 설정(get attribute and set file attribute)

3. 장치 조작(Devide Management)

• 하드웨어의 제어와 상태 정보를 얻음(ioctl (Input/Output control의 약자))
• 장치를 요구(request devices), 장치를 방출(release device)
• 읽기(read), 쓰기(write), 위치 변경
• 장치 속성 획득, 장치 속성 설정
• 장치의 논리적 부착(attach) 또는 분리(detach)

4. 정보 유지보수(Information Maintenance)

• getpid(), alarm(), sleep()
• 시간과 날짜의 설정과 획득(time)
• 시스템 데이터의 설정과 획득(date)
• 프로세스 파일, 장치 속성의 획득 및 설정

5. 통신(Communication)

• pipe(), shm_open(), mmap()
• 통신 연결의 생성, 제거
• 메시지의 송신, 수신
• 상태 정보 전달
• 원격 장치의 부탁 및 분리

6. 보호(Protection)

• chmod()
• umask()
• chown()

API(Application Programming Interface)

• 대부분의 어플리케이션 개발자들은 API에 따라 프로그램을 설계 -> 보통 시스템 콜을 사용하기 보다는 해당 시스템 콜을 사용해서 만든 각 언어별 라이브러리(API)를 사용함
• 프로그래머가 사용 가능한 가장 흔한 API 3가지는 Windows APU, POSIX API, Java API 존재
• 최종적으로 API를 구성하는 함수들은 통상 어플리케이션 프로그래머를 대신하여 실제 시스템 콜을 호출함
• 시스템 콜을 처리하는 중요한 다른 요소는 실행 시간 환경(런타인 환경, RTE)으로 RTE는 운영체제가 제공하는 시스템 콜에 대한 연결고리 역할을 하는 시스템 콜 인터페이스를 제공. 이 시스템 인터페이스는 API 함수의 호출을 intercept해서 필요한 운영체제 시스템 콜을 부름
• 운영체제 인터페이스에 대한 대부분의 자세한 내용은 API에 의해 프로그래머로부터 숨겨지고 RTE에 의해 관리됨
• 시스템 콜 호출을 위해서는 운영체제에 매개변수를 전달해야만 하는데 해당 내용은 아래 기술

커널 (Kernel)

• 운영체제 중 항상 메모리에 올라가 있는 운영체제의 핵심 부분

• 커널은 인터페이스로써 응용 프로그램 수행에 필요한 여러가지 서비스를 제공하고 여러가지 하드웨어 등의 리소스를 관리하는 역할

• 커널은 유저모드와 커널모드가 존재

  • 커널모드는 I/O devices를 포함해 모든 주소 영역 접근 가능
  • 유저모드는 명령어의 일부와 HW feature의 일부만 사용 가능

• 커널 정리 링크

보호 명령( Protected Instruction )
- 프로세스의 실행, 종료나 I/O 작업 등의 사용자가 함부로 사용하면 문제가 될 만한 명령들
- OS의 커널모드와 유저모드 중 커널 모드에서만 사용이 가능
- 이와 같은 기능을 위해서 유저모드에서 커널모드로 trap하는 system call을 사용

시스템 콜으로 커널 동작 과정

1. 우리가 만드는 프로그램이 유저 모드에서 실행
2. 프로그램 실행 중에 인터럽트(interrupt)가 발생하거나 시스템 콜(system call)을 호출하게 되면 커널 모드로 전환 (read)
3. 커널 모드에서 프로그램의 현재 CPU 상태를 저장. 파일을 읽을 준비 (waiting)
4. 커널이 직접 해당 인터럽트 혹은 시스템 콜 실행/처리 (running)
5. 처리가 완료되면 중단 됬던 프로그램의 CPU 상태 복원
6. 다시 통제권을 프로그램에게 반환해 커널모드에서 유저모드로 다시 변경됨

시스템 콜 매개 변수 전송

• 필요한 기능이나 시스템 환경에 따라 System Call이 발생할 때 좀 더 많은 정보가 필요할 수 있음
• 그러한 정보가 담긴 매개변수를 운영체제에 전달하기 위해서는 대략 3가지 정도의 방법이 존재
  • 레지스터를 통한 전송 : 매개변수를 CPU 레지스터 내에 전달. 이 경우에 매개변수의 객수가 CPU 내의 총 레지스터 개수보다 많을 수 있음. 매개변수가 레지스터로 직접 전달되나 레지스터 크기보다 더 많은 매개변수가 존재하므로 좋지 않은 방법
  • 블록 혹은 테이블을 통한 전송 : 매개변수를 메모리 내의 블록이나 테이블에 저장하고 해당 메모리의 주소가 레지스터에 전달
  • 스택을 통한 전송 : 매개변수는 프로그램에 의해 스택(stack)으로 전달(push) 될 수도 있음. 매개변수는 프로그램에 의해 스택에 넣어지고 운영체제의 의해 꺼내짐

22-08-23

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Reference

• https://dolphinsarah.tistory.com/54
• https://velog.io/@woo0_hooo/기술면접대비-System-Call이란
• https://dar0m.tistory.com/264
• https://rebro.kr/171