Chapter 2. 사용자 모드로 구현되는 기능
시스템 콜
프로세스는 커널의 도움이 필요한 경우 (프로세스 생성, 하드웨어 조작 등) 시스템 콜을 통해 커널에 처리를 요청한다.
시스템 콜의 종류
프로세스 생성, 삭제
메모리 확보, 해제
프로세스 간 통신 (IPC)
네트워크
파일시스템 다루기
파일 다루기(디바이스 접근)
CPU의 모드 변경
프로세스는 유저 모드(사용자 모드)에서 실행되다가, 시스템 콜을 호출하면 CPU에서 인터럽트 이벤트가 발생한다.
이 인터럽트 이벤트가 발생하면 CPU는 커널 모드로 변경되어 동작하고, 처리가 끝나면 다시 유저 모드로 변경된다.
커널은 이 요청을 처리하기 전에 요구 사항의 유효성을 검사하여, 유효하지 않은 요청의 경우 시스템 콜을 실패했다고 처리한다.
ex. 메모리를 허용량 이상 요구하는 경우 등
유저 모드에서 시스템 콜을 통하지 않고 커널 모드로 변경하는 방법은 없다.
시스템 콜 동작 순서
strace 명령어로 실행 파일의 시스템 콜 호출 로그를 출력해서 확인할 수 있다.
strace - hello.c
hello.c 컴파일
$ gcc -o output/hello src/hello.c $ output/hello Hello worldstrace 로 시스템 콜 확인
$ strace -o log/hello.log output/hello Hello worldhello.log 파일의 34번째 줄에서 write 시스템 콜을 통해 화면에 출력하는 것을 알 수 있다.
strace - hello.py
strace로 hello.py 실행
$ strace -o log/hello.py.log python src/hello.py Hello worldhello.py.log 파일의 516번째 줄에서 똑같이 write 시스템 콜을 호출하는 것을 볼 수 있다.
- C언어보다 파이썬이 상대적으로 느리다는 것은 알고 있었는데, 생각보다 파이썬의 처리량이 훨씬 많다.
sar - loop.c
시스템 콜을 호출하지 않고 무한루프를 도는 프로그램이다.
$ gcc -o output/loop src/loop.c $ output/loop & # 백그라운드로 실행 [1] 30132 $ sar -P ALL 1 1 Linux 5.11.0-27-generic (ubun2-GL63-8RC) 2021년 09월 06일 _x86_64_ (8 CPU) 01시 31분 19초 CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle 01시 31분 20초 all 0.13 12.59 0.00 0.00 0.00 87.28 01시 31분 20초 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 31분 20초 1 0.00 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 # 여기 01시 31분 20초 2 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 31분 20초 3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 31분 20초 4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 31분 20초 5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 31분 20초 6 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 31분 20초 7 0.99 0.00 0.00 0.00 0.00 99.01 ... $ kill 30132 # 실행한 프로세스 종료 [1] + 30132 terminated output/loop1번 프로세서에서 nice가 100%이고 system은 0%임을 볼 수 있다. 즉 유저 모드에서만 돌아가는 프로그램이라는 뜻이다.
- user와 nice는 모두 유저 모드에서 작동한 시간의 비율을 나타내는데, nice는 프로세스의 우선순위와 관련있다.
sar - ppidloop.c
getppid() : 부모 프로세스의 PID(Process ID)를 얻는 시스템 콜
$ gcc -o output/ppidloop src/ppidloop.c $ output/ppidloop & [1] 31624 $ sar -P ALL 1 1 Linux 5.11.0-27-generic (ubun2-GL63-8RC) 2021년 09월 06일 _x86_64_ (8 CPU) 01시 44분 03초 CPU %user %nice %system %iowait %steal %idle 01시 44분 04초 all 0.00 8.53 4.14 0.00 0.00 87.33 01시 44분 04초 0 0.00 0.00 1.01 0.00 0.00 98.99 01시 44분 04초 1 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 44분 04초 2 0.00 68.00 32.00 0.00 0.00 0.00 # 여기 01시 44분 04초 3 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 44분 04초 4 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 44분 04초 5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 44분 04초 6 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 01시 44분 04초 7 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 ... $ kill 31624 [1] + 31624 terminated output/ppidloop아까의 결과는 nice가 100%였던 것에 비해, 이번에는 system이 약 32%에 도달한 것을 볼 수 있다. (값은 실행 환경에 따라 다르다.)
시스템 콜의 소요 시간
strace 명령어에 -T 옵션을 주면 시스템 콜 처리에 걸린 시간을 마이크로초까지 정밀하게 볼 수 있다. (단위는 초)
$ strace -T -o log/hello_T.log output/hello Hello worldhello_T.log 파일을 보면 34번째 줄의 write 시스템 콜에서 0.000018초(18us)인 것을 볼 수 있다.
- 출력 함수가 되게 느린 줄 알았는데 생각보다 빠르다.
strace 명령어에 -tt 옵션을 주면 시스템 콜이 호출된 시간을 볼 수 있다.
$ strace -tt -o log/hello_tt.log output/hello Hello world$ strace -T -tt -o log/hello_T_tt.log output/hello Hello world
시스템 콜의 wrapper 함수
어셈블리 코드
시스템 콜은 일반 함수 호출과는 다르게, 아키텍처에 의존하는 어셈블리 코드를 통해 호출해야 한다.
x86_64 아키텍처에서 getppid() 시스템 콜은 아래처럼 호출된다.
mov $0x6e, $eax syscall- eax 레지스터에 getppid의 시스템 콜 번호 0x6e를 넣고 시스템 콜을 호출하면서 커널 모드로 전환하는 것이다.
어셈블리 코드는 아키텍처에 의존하기 때문에 각 아키텍처마다 시스템 콜을 호출하는 방식이 다르고, 이를 통일하기 위해 OS에서 wrapper 함수를 사용한다.
- 아키텍처 별로 어셈블리 코드를 만드는 것보다, OS에 있는 wrapper 함수를 사용하는게 효율적이다.
시스템 콜 wrapper
OS에서 내부적으로 시스템 콜만 호출하는 함수를 의미한다.
각 아키텍처마다 존재하며, 고급 언어로 쓰여진 프로그램에서 해당 wrapper 함수를 호출하기만 하면 되므로 이식성이 높다.
표준 C 라이브러리
C언어에는 ISO에 의해 정해진 표준 라이브러리가 존재하며, 대부분의 C 프로그램은 GNU 프로젝트가 제공하는 glibc를 링크한다.
glibc는 시스템 콜의 wrapper 함수를 포함하고, POSIX 규격에 정의된 함수도 포함한다.
ldd 명령어
프로그램이 어떤 라이브러리를 링크하는지 확인할 수 있는 명령어이다.
$ ldd /bin/echo linux-vdso.so.1 (0x00007ffd50bcd000) libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f15598f6000) /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f1559b06000) $ ldd output/ppidloop linux-vdso.so.1 (0x00007ffeceb86000) libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f376d2e5000) /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f376d4ef000) $ ldd /usr/bin/python linux-vdso.so.1 (0x00007fff397f1000) libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f1cebea0000) # 파이썬도 내부적으로 libc를 사용한다. libpthread.so.0 => /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0 (0x00007f1cebe7d000) libdl.so.2 => /lib/x86_64-linux-gnu/libdl.so.2 (0x00007f1cebe77000) libutil.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libutil.so.1 (0x00007f1cebe72000) libm.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libm.so.6 (0x00007f1cebd23000) libexpat.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libexpat.so.1 (0x00007f1cebcf5000) libz.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libz.so.1 (0x00007f1cebcd7000) /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f1cec0a5000) $ ldd /usr/bin/ls linux-vdso.so.1 (0x00007ffc42e54000) libselinux.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libselinux.so.1 (0x00007f6806574000) libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f6806382000) libpcre2-8.so.0 => /lib/x86_64-linux-gnu/libpcre2-8.so.0 (0x00007f68062f2000) libdl.so.2 => /lib/x86_64-linux-gnu/libdl.so.2 (0x00007f68062ec000) /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f68065d7000) libpthread.so.0 => /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0 (0x00007f68062c9000) $ ldd /usr/bin/cat linux-vdso.so.1 (0x00007ffec5f46000) libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fa363535000) /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fa363746000) $ ldd /usr/bin/pwd linux-vdso.so.1 (0x00007fff9ab54000) libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f242d8e0000) /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f242daf1000)- 자주 사용하는 명령어들이 대부분 libc를 링크하는 것을 볼 수 있다.
OS가 제공하는 프로그램
대부분의 프로그램이 필요로 하는, OS의 동작을 변경시키는 프로그램도 OS의 일부로써 제공된다.
목록
용도 프로그램 시스템 초기화 init OS의 동작을 바꿈 sysctl, nice, sync 파일 관련 touch, mkdir 텍스트 데이터 가공 grep, sort, uniq 성능 측정 sar, iostat 컴파일러 gcc 스크립트 언어 실행 환경 perl, python, ruby 셸 bash 윈도우 시스템 X
참고
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