System Call 알아보기

운영체제의 API

Intro

System call은 사용자와 프로그래머가 시스템과 상호작용할 수 있는 인터페이스이다.

System call 예시

예시로 system call을 통해 한 파일에서 다른 파일로 데이터를 복사하는 프로그램을 살펴보자.

1. 가장 먼저 복사할 input 파일과 output 파일의 이름을 입력받는다.

   $ cp input.txt output.txt
   

2. 프로그램은 input 파일을 open(system call) 하고, output 파일을 create(system call), open(system call) 한다.

   • 이때 읽을 파일이 없거나, 이미 output 파일이 존재하면 에러를 반환하고 종료한다.

3. 프로그램은 input 파일에서 데이터를 read(system call) 하고, output 파일에 write(system call) 한다.

4. 프로그램은 input 파일과 output 파일을 close(system call) 한다.

아래 이미지는 user process가 system call을 통해 OS의 기능을 사용하는 모습이다.

API(Application Programming Interface)

예시와 같이 간단한 프로그램을 실행할 때도 여러 system call을 수행한다. 그렇다면 프로그래머가 모든 system call을 직접 수행해야 할까?

다행히도 복잡한 system call을 프로그래머가 사용할 수 있는 함수의 집합으로 추상화 한 API(Application Programming Interface)를 통해 system call을 처리할 수 있다.

API는 마치 자판기와 비슷한데, 자판기는 사용자가 버튼을 누르면 내부적으로 여러 동작을 수행한다. 사용자는 자판기가 어떻게 동작하는지 알 필요가 없다. 자판기가 제공하는 버튼만 누르면 원하는 결과물을 얻는다.

자판기(함수)에 돈(인자)을 넣고, 음료수(return 값)를 얻는다. 프로그래머는 OS의 API를 통해 system call을 수행하고, OS는 system call을 통해 프로그래머에게 output을 제공한다.

API를 사용할 때 장점은, 동일 API를 사용했을 때 어떤 시스템에서도 compile, run된다는 것을 보장할 수 있고, 정교하고 다루기 어려운 system call을 추상화하여 사용자가 쉽게 사용할 수 있도록 하는 것이다.

RTE (Run Time Environment)

RTE는 특정 프로그래밍 언어로 작성된 프로그램을 수행하기 위한 소프트웨어 집합이다. OS가 제공하는 API를 통해 system call을 수행할 수 있도록 도와주는 환경이며, 컴파일러, 인터프리터, 라이브러리 등을 포함하고 있다.

RTE는 system-call interface를 제공하여 실제 system call에 대한 연결을 제공함으로써 OS와 프로그램 사이에서 중간 역할을 한다.

프로그래머가 함수를 호출하면, system-call interface는 함수를 가로채서 필요한 system call을 수행하고, system call의 결과를 프로그래머에게 반환한다.

System call interface 예시

Standard C library 예시를 살펴보자. printf()를 호출하는 C 프로그램이며, 이때 C library는 system-call interface 역할을 한다.

#include <stdio.h>
int main() {
   printf("Hello World\n"); // OS의 write() system call을 호출한다.
}

C library는 printf()를 만나면 OS의 write() system call을 호출하고, 반환 값을 caller에게 반환한다.

System call 종류

System call은 크게 6가지로 구분할 수 있다.

1. Process control
2. File management
3. Device management
4. Information maintenance
5. Communication
6. Protection

Process control

실행중인 프로그램은 프로세스라 부른다. Process control은 실행중인 프로세스의 종료뿐만 아니라 프로세스의 프로그램 실행과 같은 과정을 관리하는 것이다.

프로세스 종료

프로세스 실행은 종료할 수 있어야 하는데, 정상적으로 종료되는 경우 end(), 비정상적으로 종료되는 경우 abort()이다.

정상/비정상적인 상황 모두 OS는 프로세스를 종료시킨 뒤, command interpreter로 제어를 넘긴다.

GUI의 경우 팝업창을 통해 사용자에게 상황을 인지시킨다.

프로세스의 다른 프로그램 실행

1)실행

• 프로세스가 다른 프로그램을 실행하는 경우가 있다. 예시로 크롬 이용 중 클릭으로 새 크롬 창을 여는 경우처럼 말이다.
  • load(), execute()

2)제어

• 생성된 프로세스를 제어한다.
  • get_process_attributes(), set_process_attributes()

3)종료

• 더 이상 필요하지 않거나 잘못된 프로세스의 경우 종료시킨다.
  • terminate_process()

4)종료 대기

• 생성된 프로세스의 실행 종료를 기다린다.
  • wait_time()

5)이벤트 대기

• 특정 이벤트가 발생하기를 대기한다.
  • wait_event()

6)이벤트 신호 전송

• 특정 이벤트를 대기하고 있는 프로세스에게 이벤트를 전송한다.
  • signal_event()

7)공유 데이터 잠금 / 해제

• 공유되고 있는 데이터의 접근을 제어한다.
  • acquire_lock(), release_lock()

OS별 Process control system call

Windows: CreateProcess(), ExitProcess(), WaitForSingleObject()

UNIX: fork(), exit(), wait()

File management

파일을 관리하는 system call은 매우 직관적이다.

• 생성과 삭제: create(), delete()
• 열기, 닫기: open(), close()
• 읽기, 쓰기: read(), write()
• 파일 이동: reposition()

파일 조직이 디렉토리 구조라면, 디렉토리에도 동일한 연산을 수행한다.

또한 파일과 디렉토리의 속성을 다루기 위해서는 get_file_attributes(), set_file_attributes()를 사용한다.

Device management

프로세스가 실행 중일 때는 다양한 자원이 필요하다. 예를 들어 메인 메모리, 디스크 드라이버, 파일 엑세스 등.

자원이 동원될 수 있을 때, 프로세스는 자원을 사용할 수 있도록 허가받는다. 그리고 제어가 프로세스에게 넘어간다. 자원을 사용할 수 없으면, 프로세스는 자원을 기다려야 한다.

디스크 드라이버와 같은 물리적 자원, 파일과 같은 논리적 자원은 모두 장치로 간주되며 (IO 장치와 파일이 동일한 시스템 콜을 사용), 프로세스가 이를 사용하기 위해서는 request()를 통해 자원을 요청하고, release()를 통해 자원을 반환한다.

자원을 할당받았다면, read(), write()등을 통해 자원을 사용할 수 있다.

Information maintenance

1)기본 정보 관리

• 현재 시각 time()과 date()
• 현재 시스템의 버전
• 할당 가능한 메모리 공간 등을 관리한다.

2)디버깅 정보 관리

• 디버깅에 도움되는 정보를 제공한다.
  • 많은 시스템이 메모리를 dump()하는 system call을 제공한다.
  • 모든 명령어가 실행될 때마다 실행되는 trap()을 통해 쉽게 디버깅 할 수 있다.

3)프로그램 실행 시간 정보

• 특정 위치 혹은 위치 집합에서 실행된 프로그램의 시간 정보를 제공한다.

4)프로세스 정보

• PCB 등의 프로세스의 정보를 설정하고 읽는다.
  • get_process_attributes(), set_process_attributes()

Communication

프로세스 간 통신을 위해

1. Message passing model
2. Shared memory model

을 사용하는데, 이때도 system call의 도움을 받는다.

Message passing model

• 메일박스를 통해 소통한다.
• 소통하기 전, 상대 프로세스가 누구인지 알기 위해 connection을 맺고 소통을 시작한다.
• 소통이 완료되면 커넥션을 끊는다.
• Shared memory model에 비해 충돌이 없고, 구현이 쉽다.

Shared memory model

• 한 프로세스가 다른 프로세스가 소유 및 공유한 메모리 영역에 접근한다.
• 공유 영역에 읽고 씀으로써 정보를 교환한다.
• 메모리 전송 속도로 소통하기 때문에 빠르다.
• 다만 같은 공간에 쓰지 않도록 주의해야 한다.

Protection

• 자원에 대한 접근 제어 방법을 제공한다.
• 파일이나 디스크에 대한 접근 권한을 설정한다.
  • set_permission(), get_permission()
• 특정 유저의 접근 권한을 관리한다.
  • allow_user(), deny_user()