Pintos Project 2 : System Calls (1)

Posted May 25, 2025

By sihyun 12 min read

Pintos Project 2의 argument_passing 구현에 이어서 User Memory Access파트로 왔다.
이 부분은 시스템 콜 구현에 있어서 사용자 메모리 공간에 접근하는 방법을 안전하게 구현해야하는 파트이다.

User Memory Access

시스템 콜을 구현하기 위해서는 사용자 가상 주소 공간의 데이터를 읽고 쓰는 방법을 제공해야한다.
시스템 콜의 인자를 가져올 때는 이 기능이 꼭 필요하지 않다.
하지만 시스템 콜 인자로 주어진 포인터에서 데이터를 읽을 때는 반드시 이 기능을 통해 프록시해야한다.
이건 약간 까다로울 수 있다. 만약 사용자가 잘못된 포인터, 커널 메모리를 가리키는 포인터, 해당 영역 중 하나에 부분적으로 블록을 입력하면 어떻게 될까?
이런 경우에는 해당 사용자 프로세스를 종료시켜야 한다.

참고 : pintos_project2_introduction에서 Accessing User Memory 파트 부분

System Calls

시스템 콜 인프라(기반 구조)를 구현해라.
userprog/syscall.c 파일에 시스템 콜 핸들러를 구현하시오.
우리가 제공하는 기본 구현은 프로세스를 종료하여 시스템 콜을 처리한다.
시스템 콜 번호를 먼저 가져온 다음, 시스템 콜 인자들을 읽어오고, 알맞은 작업을 수행해야 한다.

System Call Details

첫번째 프로젝트에서는 운영체제가 사용자 프로그램으로부터 제어권을 다시 얻는 한 가지 방법인,
타이머와 I/O 장치에서 발생하는 인터럽트를 다뤘었다.
이러한 인터럽트는 CPU 외부의 장치에 의해 발생하므로 외부 인터럽트(external interrupt)라고 부른다.

운영체제는 프로그램 코드에서 발생하는 이벤트인 소프트웨어 예외(software exception)도 처리한다.
예외는 page fault(페이지 폴트) 또는 0으로 나누기 같은 오류가 발생할 수 있다.
예외는 사용자 프로그램이 운영체제에게 시스템 콜을 요청하는 수단이기도 한다!

전통적인 x86 아키텍처에서는 시스템 콜이 다른 소프트웨어 예외와 동일하게 처리되었다.
그러나 x86-64에서는 제조사들이 시스템 콜 전용 명령어인 syscall을 도입했다.
이것은 시스템 콜 핸들러를 빠르게 호출하는 방법을 제공한다.

요즘은 x86-64에서 시스템 콜을 호출하는 데에 syscall 명령어가 가장 일반적으로 사용된다.
Pintos에서는 사용자 프로그램이 시스템 콜을 수행하기 위해 syscall 명령어를 호출한다.
시스템 콜 번호와 추가 인자들은 일반적인 규칙에 따라 레지스터에 저장된 뒤, syscall 명령어를 호출해야한다.
단, 예외 사항이 2가지 있다.

%rax는 시스템 콜 번호이다.
4번째 인자는 %rcx가 아니라, %r10에 들어간다.

따라서 시스템 콜 핸들러인 syscall_handler()가 제어를 넘겨받을 때,
시스템 콜 번호는 rax에 있고, 인자들은 %rdi, %rsi, %rdx, %r10, %r8, %r9 순서로 전달된다.

호출자의 레지스터 값들은 struct intr_frame을 통해 접근할 수 있다.
(struct intr_frame은 커널 스택에 존재한다)

x86-64에서는 함수의 반환값을 RAX 레지스터에 저장하는 것이 관례이다.
반환값이 있는 시스템 콜은 struct intr_frame의 rax 멤버를 수정해서 값을 반환할 수 있다.

Implement the following system calls - 다음의 시스템 콜들을 구현해라!

유저 프로그램에서 시스템 콜을 사용할 수 있도록 정의된 인터페이스 헤더는 include/lib/user/syscall.h 여기에 정의되어있다.
이 헤더 파일(그리고 include/lib/user 안의 다른 모든 헤더 파일들)은 유저 프로그램만을 위한 것이다.
각각의 시스템 콜에 대한 고유한 번호는 include/lib/syscall-nr.h 파일에 정의되어있다.

halt()

  
void halt (void);

power_off()를 호출하여 Pintos를 종료한다.
(이 함수는 src/include/threads/init.h에 선언되어 있다.)
이 함수는 가능한 한 거의 사용하지 않아야 한다.
왜냐하면 이를 호출하면 데드락(교착 상태)과 같은 문제 상황에 대한 정보를 잃게 될 수 있기 때문이다.

[구현]

  
#include "threads/init.h" // power_off() 사용하기 위해

void halt(void)
{
  power_off();
}

  
// syscall_handler()에 추가
  case SYS_HALT:
    halt();
    break;

exit()

  
void exit (int status);

현재 실행 중인 유저 프로그램을 종료시키고,
status 값을 커널에 반환한다.
만약 이 프로세스의 부모가 자식의 종료를 기다리고 있다면,
해당 부모는 이 status 값을 반환받게 된다.
관례적으로 0은 성공을, 0이 아닌 값은 에러를 나타낸다.

[구현]

exit_status를 thread 구조체에 필드로 추가해준다.
자식 프로세스가 종료된 뒤, 종료 상태를 부모 프로세스에게 알려야 하기 때문이다.

  
// include/threads/thread.h
#ifdef USERPROG
  /* Owned by userprog/process.c. */
  uint64_t *pml4; /* Page map level 4 */
  int exit_status;

  
void exit(int status)
{
  struct thread *curr = thread_current();
  curr->exit_status = status;
  printf("%s: exit(%d)\n", curr->name, curr->exit_status);
  thread_exit();
}

현재 실행 중인 스레드(프로세스)를 가져온 후에
종료 상태 코드를 현재 스레드에 저장한다.
종료 로그 출력하고, 현재 스레드(프로세스)를 종료한다.

  
// syscall_handler()에 추가
  case SYS_EXIT:
    exit((int)f->R.rdi);
    break;

create()

  
bool create (const char *file, unsigned initial_size);

file이라는 이름의 새로운 파일을 생성하며, 이 파일의 초기 크기는 initial_size 바이트이다.
파일 생성에 성공하면 true를 반환하고, 실패하면 false를 반환한다.
파일을 새로 생성하는 작업은 파일을 여는 작업과는 다르다.
새로 생성된 파일을 열기 위해서는 별도의 open 시스템 콜을 호출해야한다.

[구현]

  
#include "filesys/filesys.h"
#include "threads/vaddr.h"

static void check_address(const void *addr)
{
  if (is_kernel_vaddr(addr) || addr == NULL)
    exit(-1);

  if (pml4_get_page(thread_current()->pml4, addr) == NULL)
    exit(-1);
}

bool create(const char *file, unsigned initial_size)
{
  check_address(file);
  return filesys_create(file, initial_size);
}

create() 시스템 콜은 사용자 프로그램이 요청한 이름, 크기로 새로운 파일을 생성하는 기능이다.
check_address()으로 확인한 뒤, 파일을 생성한다.

check_address(const void *addr)
- 커널 주소인지 체크
- 주소가 NULL인지 체크
- 현재 프로세스의 페이지 테이블에 매핑되어있는지 확인

  
// syscall_handler()에 추가
  case SYS_CREATE:
    f->R.rax = create(f->R.rdi, f->R.rsi);
    break;

(참고)

  
int process_wait(tid_t child_tid UNUSED)
{
  for (int i = 0; i < 600000000; i++)
  {
  }
  return -1;
}

500000000 ➔ 600000000으로 숫자를 증가시켰다.
부모 프로세스가 자식 프로세스가 완전히 종료되기 전에 먼저 죽을 수 있기에
여유로운 시간을 제공해주어야하는데, 500000000은 숫자가 적었나보다.
이렇게 바꿔주니 테스트 통과가 되었다.

remove()

  
bool remove (const char *file);

file이라는 이름의 파일을 삭제한다.
삭제에 성공하면 true를, 실패하면 false를 반환한다.
파일이 열려 있든 닫혀 있든 관계없이 삭제가 가능하다.
열려 있는 파일을 삭제해도, 그 파일을 즉시 닫지는 않는다.

🧐 열린 파일이 삭제되면 어떤 일이 발생할까?
파일에 대해 표준 Unix 의미론(동작 방식)을 구현해야 한다
어떤 파일이 삭제되더라도 그 파일에 대한 파일 디스크립터를 이미 가지고 있는 프로세스는
계속 그 디스크립터를 사용할 수 있다
즉, 해당 프로세스는 그 파일에 계속해서 읽기나 쓰기 작업을 할 수 있다
파일은 이름을 잃게 되고, 다른 프로세스는 더 이상 그 파일을 열 수 없게 된다
하지만 그 파일을 가리키는 모든 파일 디스크립터가 닫히거나, 시스템이 종료될 때까지,
해당 파일은 계속 존재한다

[구현]

  
bool remove(const char *file)
{
  check_string(file);
  return filesys_remove(file);
}

remove() 시스템 콜은 주어진 이름의 파일을 찾아서 제거한다.
실제 삭제되는건 아니다!

  
// syscall_handler()에 추가
  case SYS_REMOVE:
    f->R.rax = remove(f->R.rdi);
    break;

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System Calls

System Call Details

Implement the following system calls - 다음의 시스템 콜들을 구현해라!

halt()

[구현]

exit()

[구현]

create()

[구현]

(참고)

remove()

[구현]

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