ECF, 시스템 콜과 인터럽트 그리고 시그널

 

 

ECF(Exceptional Control Flow)를 알기 전에 여러가지 기초 지식이 많이 요구된다. 이를 알지 못하면 ECF를 이해하기 힘들기 때문이다.

 

컴퓨터 구조의 가장 안쪽에 CPU, 메모리, 프린터, 램카드 등의 하드웨어들이 있다. 이 묶음을 자원들이라고 하고 이를 application에 할당하는게 OS이다.(자원관리) OS안에는 cpu를 관리하는 프로세스 관리, 메모리 관리, I/O관리를 하는 것은 커널에 해당한다. 쉘은 사용자가 명령을 내리면 그 명령을 해석하여 결과를 반응하여 보여준다.(명령어 해석기)

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패킷은 네트워크상에서 전송될 데이터들의 덩어리이다. 사용자 데이터와 제어정보로 나뉘는데 사용자 데이터는 페이로드라고 한다. 제어정보는 소스와 목적지에 대한 네트워크 주소, 순서 정보, 오류 감지 코드로 분류된다.

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프로세스 문맥은 어떤 상태에서 수행되고 있는지, 규명하기위해 필요한 정보이다. 시분할로 프로세스를 한 번씩 실행시킬 때, 어디까지 실행됐는지, 메모를 해놔야 한다. 이 때 프로세스 컨텍스트를 사용한다. 프로세스 문맥은 하드웨어 문맥, 프로세스의 주소공간, 커널상의 문맥으로 분류된다. 프로세스의 제어권을 넘겨주는 것은 컨텍스트 스위칭이라고 한다.

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그럼 CPU의 제어권을 넘겨 커널모드로 진입하게 하는 것은 무엇일까? 주로 인터럽트, 트랩에 의한 시스템콜이다.

 

시스템 콜(System Call)은 사용자 프로그램이 운영 체제의 커널 서비스를 요청할 때 사용하는 인터페이스이다. 운영 체제는 하드웨어 자원을 관리하고, 다양한 기본 서비스를 제공하는 소프트웨어의 집합이다. 사용자 프로그램은 직접적으로 하드웨어 자원에 접근할 수 없으므로, 시스템 콜을 통해 안전하게 이러한 자원과 서비스를 요청하고 사용한다.

 

시스템 콜의 주요 기능

• 프로세스 관리: 프로세스 생성, 실행, 종료, 스케줄링 등의 관리 작업을 수행한다.
• 파일 시스템 조작: 파일 생성, 삭제, 읽기, 쓰기, 열기, 닫기 등의 파일 시스템 관련 작업을 수행한다.
• 장치 관리: 하드웨어 장치에 대한 접근 및 제어를 수행한다.
• 정보 유지: 시스템 날짜 및 시간 설정, 시스템 데이터 조회 등의 작업을 수행한다.
• 통신: 프로세스 간 통신(IPC)이나 네트워크 통신을 위한 메커니즘을 제공한다.

시스템 콜의 작동 방식

1. 시스템 콜 요청: 사용자 프로그램은 특정 작업을 수행하기 위해 시스템 콜을 호출한다. 이 때, 필요한 매개변수를 제공한다.
2. 커널 모드 전환: 시스템 콜이 호출되면, CPU는 사용자 모드에서 커널 모드로 전환된다. 커널 모드에서는 운영 체제가 전체 시스템 자원에 대한 전체 제어 권한을 가진다.
3. 시스템 콜 처리: 운영 체제 커널은 요청된 시스템 콜에 따라 필요한 작업을 수행한다.
4. 사용자 모드로 복귀: 작업이 완료되면, 시스템은 사용자 모드로 다시 전환되고, 프로그램은 시스템 콜 결과를 받아 계속해서 실행된다.

프로그램 카운터의 연속된 값 예를 들어 l(k)에 대응하는 a(k), a(k+1)이 있을 때 a(k) - > a(k+1) 이렇게 다음으로 넘어가는게 제어이동이라고 한다. 이런 제어이동의 배열은 제어흐름이라고 한다.

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I(k)와 I(k+1)이 나란히 있는 경우는 점진적인 순서라고 하고, 이 둘이 인접하지 않고 jump, call, return에 의해 갑작스런 변화가 발생할 때가 있다. 저런 명령어들은 꼭 프로그램을 작성하면서 필요하여, 예외적인 제어 흐름이 발생할 수 밖에 없는데, 컴퓨터는 이런 예외적인 제어 흐름에도 반응할 수 있어야 한다.

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패킷들은 네트워크 어댑터에 도착하고 메모리에 저장되어야한다. 프로그램은 디스크로부터 데이터를 요청하고, 데이터가 준비됐다는 말이 나올 때까지 대기한다. 하드웨어에서 검출된 이벤트는 예외 핸들러로 갑작스런 제어이동을 발생한다. ECF는 운영체제가 입출력, 프로세스, 가상메모리를 구현하기 위해 사용한다. trap, system call을 이용하여 응용프로그램이 호출한다.

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예외상황 - 예외적인 제어흐름의 한가지 형태

하드웨어와 소프트웨어의 예외상황 분류는 불필요함

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예외의 분류:

• 인터럽트 : 비동기적으로 하드웨어 장치로부터 발생하는 신호 혹은 외부 이벤트가 발생했음(트랩은 인터럽트의 종류지만, 동기적)을 알리는 신호이다. CPU가 현재 처리 중인 작업을 잠시 중단하고, 긴급하게 처리해야 하는 작업이다. 보통 하드웨어 장치에서 프로세서로 시스템 콜을 보내 커널모드로 전환되게 한다.(어보트는 인터럽트의 종류지만, 시스템 콜과 직접적인 관련이 없다.)
• ​ 트랩 : 특정 명령어 실행에 의해 CPU의 제어 논리가 운영 체제의 커널 기능을 요청하기 위해 의도적으로 생성하는 예외이다. 프로그램 실행과 동기적이다. 명령 스트림에 대해 잘 정의된 시점에서 발생하고 시스템 콜, 디버깅을 목적으로 사용한다. 운영 체제가 프로그램을 대신하여 파일 읽기를 수행한다. (0으로 나누기, 잘못된 메모리 접근에 대한 처리)
• ​ 폴트 : 핸들러로 인해서 복구가 가능하고 수정될 수 있는 예외이다. 프로세서가 명령을 실행하려고 할 때 오류 조건을 감지하고, 메모리 접근 중 페이지 폴트와 같은 오류가 발생 했을 때 발생한다. 페이지 폴트는 프로그램이 현재 물리 메모리 접근 할 때 일어난다. 가상 메모리의 적절한 부분을 물리 메모리로 로딩 함으로써, 프로그램은 폴트가 전혀 발생하지 않은 것처럼 실행을 재개할 수 있다. (세그먼트 폴트, 페이지 폴트)
• ​어보트 : 복구할 수 없는 오류 조건을 나타낸다. 하드웨어 실패 또는 하드웨어가 감지하고 복구할 수 없는 메모리 시스템의 불일치와 같은 하드웨어 또는 시스템 환경의 심각한 문제를 지시한다. (ASSERT)

 

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예외가 발생하면, 프로세서는 적절한 예외 핸들러로 제어를 이전해야 한다.

자세한 내용은 Process, Thread를 다룰 때 추가로 포스팅할 예정이다.

 

예외 처리 과정

1. 예외 감지: 예외 처리의 첫 단계는 예외가 발생했음을 감지하는 것이다. 이 감지는 CPU의 정상적인 명령 실행 과정의 결과로 발생한다. 예를 들어, 응용 프로그램이 0으로 나누려고 하면, CPU는 나눗셈 연산을 실행하려고 할 때 이를 감지한다.
2. 예외 분류: 예외가 감지되면, 시스템은 여러 범주 중 하나(인터럽트, 트랩, 폴트, 어보트)로 분류한다. 이 분류는 시스템이 예외를 어떻게 처리할지 결정하기 때문에 중요하다.
3. 컨텍스트 저장: 프로세서가 예외 핸들러의 실행을 시작하기 전에, 예외가 처리된 후에 복원할 수 있도록 현재 컨텍스트(CPU의 상태)를 저장해야 한다. 이것은 보통 레지스터, 프로그램 카운터 및 기타 중요한 상태 정보를 저장하는 것을 포함한다.
4. 예외 처리 루틴: 프로세서는 인터럽트 벡터 테이블 또는 예외 테이블이라고 하는 사전에 정의된 테이블을 사용하여 예외를 해당 핸들러의 메모리 주소에 매핑한다. 그런 다음 프로세서는 프로그램 카운터를 핸들러의 주소로 변경하여 핸들러 루틴에 제어를 효과적으로 이전한다.
5. 핸들러 실행: 예외 핸들러가 실행되고 예외를 처리하기 위해 필요한 모든 작업을 수행한다. 이것은 잘못된 프로그램을 종료하거나, 프로세스에 시그널을 보내거나, 오류를 수정하고 작업을 다시 시도하거나, 디버깅 목적으로 오류를 기록하는 것을 포함할 수 있다.
6. 예외에서 복귀: 예외가 처리된 후에는 시스템이 정상적인 실행 흐름으로 돌아가야 한다. 예외가 트랩이나 인터럽트였다면, 시스템은 예외를 발생시킨 명령 바로 다음 명령으로 돌아갈 수 있다. 폴트가 수정되었다면, 시스템은 폴트가 발생한 명령을 다시 시도할 수 있다. 어보트였다면, 시스템은 프로그램으로 전혀 돌아가지 않고 대신 종료할 수 있다.
7. 컨텍스트 복원: 마지막 단계는 저장된 컨텍스트를 복원하여 프로세스나 프로그램이 예외가 발생하지 않은 것처럼 계속 실행될 수 있도록 하는 것이다. 이것은 예외가 감지될 때 저장된 정보로부터 CPU 상태를 복원하는 것을 포함한다.

시그널은 소프트웨어 단에서 이벤트를 통지하지만 인터럽트는 하드웨어 단에서의 이벤트 처리를 할 때 발생한다. 둘이 비슷해 보일 수 있지만, 운영체제의 컨텍스트에서 서로 다른 메커니즘을 가리킨다. (ctrl+C로 배시 창 나가기, kill PID)

 

시그널은 다양한 이유로 발생할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 프로세스를 종료하려고 할 때(SIGINT), 프로세스가 접근할 수 없는 메모리에 접근하려고 할 때(SIGSEGV), 알람 타이머가 만료되었을 때(SIGALRM) 등

 

시그널이 발생하면 그 자체로 시스템 콜을 발생시키는 것은 아니다. 그러나 시그널 처리 과정에서 프로세스는 특정 시그널에 대응하기 위해 시스템 콜을 사용할 수 있다. (시스템 콜을 활용한 시그널 핸들러 설정) 그리고, 시그널을 명시적으로 보내는 행위 kill() 같은 것은 시스템 콜을 통해 이루어진다.

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시그널 자체는 시스템 콜을 직접적으로 발생시키지는 않지만, 시그널 처리 메커니즘은 시스템 콜과 밀접하게 관련되어 있으며, 프로세스는 시그널을 처리기 위해 시스템 콜을 사용할 수 있다.

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인터럽트는 하드웨어 이벤트 또는 소프트웨어 명령에 의해 발생하며, 시스템 전체에 영향을 줄 수 있다. 반면, 시그널은 특정 프로세스에게 전달되는 비동기적 이벤트나 예외 상황을 나타낸다.

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인터럽트는 주로 운영 체제의 인터럽트 핸들러가 처리하며, 시그널은 대상 프로세스가 직접 처리한다.

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인터럽트는 시스템의 반응성과 동시성을 높이는 데 초점을 맞추고 있으며, 시그널은 프로세스에게 비동기적인 사건이나 예외 상황을 알리는 데 사용된다.