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[설명] Pintos Project 2 : Argument Passing

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By sihyun 11 min read

Argument Passing

process_exec()에서 사용자 프로그램을 위한 인자 설정

x86-64 호출 규약 (Calling Covention)

이 섹션은 64bit Unix 시스템에서의 일반적인 함수 호출 방식
즉 x86-64 호출 규약의 핵심적인 사항들을 요약한 것이다.

호출 규약의 동작 방식은 다음과 같다.

➀ 사용자 레벨의 애플리케이션은 함수 인자를 다음 순서의 정수 레지스터에 저장하여 전달한다.

  • %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9

➁ 호출자(caller)는 다음 명령어의 주소(즉, 리턴할 위치)를 스택에 푸시한 뒤,
피호출자(callee)의 첫 번째 명령어로 점프한다.

  • 이 동작은 하나의 x86-64 명령어인 CALL로 처리된다
  • 즉, CALL 명령은 자동으로 return address를 스택에 push한 후 점프한다

➂ 피호출자(callee)가 실행된다.

➃ return 값이 있는 경우, 그 값을 RAX 레지스터에 저장한다.

➄ 피호출자는 스택에서 return 주소를 팝(pop)하고, 그 위치로 점프하면서 함수 실행을 종료한다.

  • RET 명령어가 이 작업을 한다.

예시로 이해하기

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int f(int a, int b, int c);

위 함수를 다음과 같이 호출할 경우

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f(1, 2, 3);

호출 당시 피호출자 f()입장에서의 스택 및 레지스터 상태는 다음과 같다.

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                             +----------------+
stack pointer --> 0x4747fe70 | return address |
                             +----------------+

레지스터 상태:
RDI: 0x0000000000000001 (a = 1)
RSI: 0x0000000000000002 (b = 2)
RDX: 0x0000000000000003 (c = 3)

호출 직후, 함수 안에서 볼 수 있는 상태이다.
return address는 스택에 저장되어있고, 인자들은 레지스터로 전달되어 있다.

Program Startup Details (프로그램 시작 세부 사항)

Pintos 사용자 프로그램용 C 라이브러리는 lib/user/entry.c에 있는 _start()를 사용자 프로그램의 진입점(entry point)으로 지정한다.
이 함수는 사용자 프로그램을 실행할 때 main()을 호출하고, 종료되면 자동으로 exit()을 호출한다.

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void
_start (int argc, char *argv[]) {
  exit (main (argc, argv));
}

커널은 사용자 프로그램이 실행을 시작하기 전에 초기 함수에 대한 인자들을 레지스터에 넣어야 한다.
이 인자들은 일반적인 호출 규칙과 동일한 방식으로 전달된다.

다음 예시 명령어에 대한 인자들을 처리하는 방법을 고려해봐라.

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/bin/ls -l foo bar

➀ 명령어를 단어로 나눈다.

  • /bin/ls, -l, foo, bar

➁ 이 단어들을 스택 맨 상단에 배치한다.

  • 순서는 중요하지 않다. (왜냐면 포인터를 통해 참조되기 때문이다)

➂ 각 문자열의 주소와 null pointer sentinel을 오른쪽에서 왼쪽(right-to-left)으로 스택에 push 한다.

  • 이들은 argv의 요소들이다
  • null pointer sentinel은 argv[argc]가 null 포인터가 되도록 보장하는데, 이는 C 표준에서 요구된다
  • 이 순서는 argv[0]이 가장 낮은 가상 주소에 있도록 보장한다
  • 워드 정렬 접근이 비정렬 접근보다 더 빠르므로, 최상의 성능을 위해 첫 번째 푸시 전에는 스택 포인터를 8의 배수로 내린다

➃ %rsi레지스터를 argv(=argv[0]의 주소)로 지정하고, %rdi를 argc로 설정한다.

➄ 마지막으로 가짜 리턴 주소를 푸시한다.

  • 진입 함수가 실제로 반환되지는 않지만,
  • 그 함수의 스택 프레임은 다른 모든 함수들과 동일한 구조를 가져야 한다.

아래 표는 사용자 프로그램이 시작되기 바로 직전 스택과 관련 레지스터의 상태를 보여준다.
스택은 아래 방향으로 성장(grow down)한다는 것에 유의해라!

AddressNameDataType
0x4747fffcargv[3][…]‘bar\0’char[4]
0x4747fff8argv[2][…]‘foo\0’char[4]
0x4747fff5argv[1][…]‘-l\0’char[3]
0x4747ffedargv[0][…]‘/bin/ls\0’char[8]
0x4747ffe8word-align0uint8_t[]
0x4747ffe0argv[4]0char *
0x4747ffd8argv[3]0x4747fffcchar *
0x4747ffd0argv[2]0x4747fff8char *
0x4747ffc8argv[1]0x4747fff5char *
0x4747ffc0argv[0]0x4747ffedchar *
0x4747ffb8return address0void (*) ()


레지스터값
RDI4 (argc)
RSI0x4747ffc0 (argv의 시작 주소)

이 예제에서 스택 포인터는 0x4747ffb8로 초기화된다.
코드에서는 include/threads/vaddr.h에 정의된 USER_STACK에서 스택을 시작해야 한다.

인자 전달 코드를 디버깅 할 때는 <stdio.h>에 선언된 비표준 함수(hex_dump())가 유용할 수 있다.

Implement the argument passing - 인자 전달을 구현해라

현재는 process_exec()는 새 프로세스에 인자를 전달하는 기능을 지원하지 않는다.
이 기능을 구현하려면, process_exec()가 단순히 프로그램 이름만 받는 대신,
공백을 기준으로 문자열을 나눠 각 단어로 구분하도록 확장해야 한다.

예 : process_exec("grep foo bar")
grep은 실행할 프로그램, foo, bar은 프로그램에 전달할 인자들이다.

첫 번째 단어는 프로그램 이름이고, 두 번째 단어부터는 첫 번째 인자, 그 다음은 두 번째 인자, 이런식이다.
예 : argv[0] = "grep", argv[1] = "foo", argv[2] = "bar", argc = 3

다시 말해, process_exec("grep foo bar")는 "grep"을 실행하면서 "foo"와 "bar"라는 두 개의 인자를 전달해야 한다.

사용자는 단순 문자열을 입력하지만, 내부적으로는 문자열을 잘라서 프로그램과 인자들을 구분하고, 이들을 스택에 적절히 배치한 후 실행되도록 만들어야 한다.

명령어 줄 안에서 여러 개의 공백은 하나의 공백과 동일하게 처리되어야 하므로,
process_exec("grep foo bar")는 기존 예제와 동일하게 간주된다.

명령어 줄 인자 길이에 대해서는 합리적인 제한을 둘 수 있다.
예를 들어, 인자들이 한 페이지(4KB) 안에 들어오도록 제한할 수 있다.
(별도로, pintos 유틸리티가 커널에 전달할 수 있는 명령줄 인자에는 128 byte 제한이 있다.)

인자 문자열은 원하는 방식으로 파싱해도 된다.
구현이 어려울 경우, strtok_r()를 참고해라.
이 함수는 include/lib/string.h에 정의되어있고, lib/string.c에 자세한 주석과 함께 구현되어 있다.
더 자세한 정보는 man strtok_r 명령어를 통해 확인할 수 있다.
(man 명령어로 함수 설명서를 볼 수 있다.)

strtok_r()

이 함수는 문자열을 구분자를 기준으로 토큰(부분 문자열)으로 나누는 재진입 가능 토크나이저(tokenizer)이다.

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char *
strtok_r (char *s, const char *delimiters, char **save_ptr) {
  char *token; // 토큰의 시작 위치를 저장할 포인터

  ASSERT (delimiters != NULL);
  ASSERT (save_ptr != NULL);

  /* If S is nonnull, start from it.
  If S is null, start from saved position. */
  if (s == NULL)
    s = *save_ptr;
  ASSERT (s != NULL);

  /* 현재 위치(*s)가 구분자에 속하면 넘김 (연속된 구분자를 건너띔)
  만약 \0까지 도달했다면, 남은 토큰이 없음로 NULL을 반환함 */
  while (strchr (delimiters, *s) != NULL) {
    if (*s == '\0') {
      *save_ptr = s;
      return NULL;
    }

    s++;
  }

  token = s; // 토큰의 시작 위치를 저장
  while (strchr (delimiters, *s) == NULL)
    s++;
  if (*s != '\0') {
    *s = '\0';
    *save_ptr = s + 1;
  } else
    *save_ptr = s;
  return token;
}
  • strtok_r()는 문자열을 주어진 구분자 기준으로 안전하게 분할 가능한 함수다
  • 상태를 save_ptr에 저장하므로 여러번 호출해도 안정적이다
  • 문자열을 직접 수정하며(\0으로 끊음), 리턴 값은 각 토큰의 시작 위치이다
  • 공백이 연속돼도 문제 없이 건너띈다
KraftonJungle
jungle

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