[OS] 시스템 호출(System Calls)

시스템 호출(System Calls)

운영체제는 커널 모드(Kernel Mode)와 사용자 모드(User Mode)로 나뉘어 구동된다. 운영체제에서 프로그램이 구동되는데 있어 파일을 읽어 오거나, 파일을 쓰거나, 혹은 화면에 메시지를 출력하는 등 많은 부분이 커널 모드를 사용한다.

OS는 다양한 서비스들을 수행하기 위해 하드웨어를 직접적으로 관리한다. 이와 반면 응용 프로그램은 OS가 제공하는 인터페이스를 통해서만 자원을 사용할 수 있다. OS가 제공하는 이러한 인터페이스를 시스템 콜(System Call) 라고 한다.

시스템 콜은 이러한 커널 영역의 기능을 사용자 모드가 사용 가능하게, 즉 프로세스가 하드웨어에 직접 접근해서 필요한 기능을 사용할 수 있게 해준다. 

시스템 콜을 편하게 사용하기 위한 수단으로 API를 제공한다. API는 응용 프로그램을 쉽게 만들기 위한 도구로 덕분에 쉽게 프로그래밍이 가능해졌다.

통상적으로 시스템 콜은 여러 종류의 기능으로 나뉘어져 있다. 각 시스템 콜에는 번호가 할당되고 시스템 콜 인터페이스는 이러한 번호에 따라 인덱스 되는 테이블을 유지된다.

아래 그림은 open() 시스템 콜을 호출 했을 때 운영체제에서 어떻게 처리되는지를 보여준다.

open() 시스템 콜을 호출한 사용자 응용의 처리

필요한 기능이나 시스템 환경에 따라 시스템 콜이 발생할 때 좀 더 많은 정보가 필요할 수 있다. 그러한 정보가 담긴 매개변수를 운영체제에 전달하기 위해서는 대략 3가지 방법이 있다.

1. 매개변수를 CPU 레지스터 내에 전달한다. 
   • 이 경우에 매개변수의 갯수가 CPU 내의 총 레지스터 개수보다 많을 수 있다.
2. 위와 같은 경우에 매개변수를 메모리에 저장하고 메모리의 주소가 레지스터에 전달된다. (아래 그림 참고)
3. 매개변수는 프로그램에 의해 스택(stack)으로 전달(push) 될 수도 있다.
   • 2, 3번 방법의 경우 전달되는 매개변수의 개수나 길이에 제한이 없기 때문에 몇몇 운영체제에서 선호하는 방식이다.

메모리를 사용한 매개변수를 전달

 

시스템 콜의 유형

시스템 콜은 여섯 가지의 중요한 범주로 나눌 수 있다.

1. 프로세스 제어
2. 파일 조작
3. 장치 조작
4. 정보 유지보수
5. 통신
6. 보호

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 file attribute and set file attribute)

3 장치 관리(Devide Management)

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

4 정보 유지(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 부착 및 분리

6. 보호(Protection)

• chmod()
• umask()
• chown()

일반적인 통신 모델에는 메시지 전달과 공유 메모리 두가지가 있다.

메시지 전달 모델에서는 두 프로세스의 통신에 정보 교환을 위한 메시지를 주고 받는다.
공유 메모리 모델에서는 다른 프로세스가 소유한 메모리에 접근을 위해 특정 시스템 콜을 호출한다. 일반적으로 운영체제는 서로 다른 프로세스간의 메모리 접근을 차단한다. 공유 메모리 기법을 사용하기 위해서는 통신하려는 프로세스들이 이러한 차단을 풀어주는데 동의해야한다.

 

참고

• https://luckyyowu.tistory.com/133
• https://cloudstudying.kr/lectures/189