[시스템 프로그래밍] 프로세스 [0] - 제어 흐름과 예외 상황

 

 

 

 

 

 

 

🧐 제어흐름

CPU에 전원을 처음 공급하는 시점부터, 전원이 꺼지는 시점까지 프로그램 카운터(PC)는 연속된 (인스트럭션의) 주소값들을 실행합니다.

<시작>

명령어 1
명령어 2
명령어 3
...
명령어 n

<종료>

명령어 1에서 명령어 2로의 전환을 제어이동이라 부릅니다.

그리고 위와 같은 제어이동의 배열을 (프로세서의) 제어흐름이라 부릅니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 예외적인 제어 흐름, ECF

가장 간단한 유형의 제어흐름은 명령어 1과 명령어 2가 메모리에 서로 나란히 있는 경우입니다.

제어흐름 속에서 jump, branches, call, return 등의 명렁어가 실행되면 위와 같은 점진적인 제어흐름이 변경되고, 서로 나란히 존재하지 않는 명령어가 실행됩니다.

 

그러나 시스템은 위처럼 명령어로 인한 상태 변화가 아닌, 프로그램의 실행과는 관계없는 시스템 자체의 상태 변화에도 반응할 수 있어야 합니다.

예를 들어 하드웨어 타이머는 규칙적인 간격으로 꺼지며, 시스템은 이것을 반드시 처리해 주어야 합니다.

패킷들은 네트워크 어댑터에 도착하고 메모리에 저장되어야 합니다.

 

현대의 시스템들은 제어흐름에 갑작스런 변화를 만드는 방법으로 이러한 상황에 반응합니다.

일반적으로 이와 같은 급격한 변화를 예외적인 제어흐름(exceptional control flow, ECF)이라고 부릅니다.

 

 

ECF는 컴퓨터 시스템의 모든 수준에서 발생할 수 있습니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

하드웨어에 의해 검출되는 이벤트들은 예외 핸들러로 갑작스런 제어이동을 발생시킵니다.
(하드웨어 수준, 하드웨어와 운영체제에 의해 구현)

운영체제의 문맥전환을 통해 프로세스 간 제어가 이동합니다.
(운영체제 커널 수준, 하드웨어 타이머와 운영체제에 의해 구현)

프로세스는 시그널을 통해 커널이 다른 프로세스를 중단하도록 합니다.
(애플리케이션 수준, 운영체제로 구현)

개별 프로그램은 일반적인 스택 운영을 회피하고 다른 함수 내 임의의 위치로 비지역성 점프를 하는 방법으로 에러에 대응할 수 있습니다.
(프로그램 수준, C언어 런타임 라이브러리로 구현)

 

우선 하드웨어와 운영체제의 교차점에 놓인 예외들(예외상황)로 시작하여, 이곳에서 사용자 애플리케이션에서 운영체제 내부(커널)로 엔트리 포인트를 제공하는 예외인 시스템 콜에 대해서도 알아보겠습니다.

 

이후 조금 더 상위 수준에서 사용자 애플리케이션과 운영체제의 교차점에 위치한 프로세스와 시그널에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 예외 상황(Exception)

어떤 프로세서 상태의 변화에 대한 대응으로, 제어흐름의 갑작스런 변화입니다.

예외상황은 부분적으로 하드웨어와 운영체제에 의해서 구현된 예외적인 제어흐름의 한가지 형태로써,

특정 이벤트에 대한 반응으로 OS 커널로 제어가 전환되는 것을 말합니다.

특정 이벤트의 예시로는 0으로 나누기, 산술연산 오버플로우, page fault, ctrl + c 등이 있습니다.

 

 

아래는 예외사항의 기본적인 흐름입니다.

 

프로세서는 어떤 경우이든지 이벤트가 발생했다는 것을 감지하면 예외 테이블이라고 하는 점프 테이블을 통해서 발생한 특정 종류의 이벤트를 처리하기 위해 특별히 설계된 운영체제의 서브루틴(예외처리 핸들러)으로 간접 프로시저 콜을 하게 됩니다.

 

이때 현재 실행중인 인스트럭션 도중 예외처리 핸들러를 호출하는 것이 아닌, 현재 인스트럭션을 끝마친 후에 호출합니다.

 

예외처리 핸들러에서 처리를 끝마치면, 예외상황을 발생시킨 이벤트의 종류에 따라서 다음과 같은 세 가지 중의 한가지 일이 발생합니다.

핸들러는 제어를 현재 인스트럭션 $I_{current}$ 로 돌려줍니다.
이 인스트럭션은 이벤트가 발생했을 때 실행되고 있던 인스트럭션을 의미합니다.

핸들러는 제어를 $I_{next}$ 로 돌려주는데, 이는 예외상황이 발생하지 않았더라면 다음에 실행되었을 인스트럭션입니다.

핸들러는 중단된 프로그램을 종료합니다. (Abort)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 예외 처리

한 시스템 내에 존재하는 모든 예외상황들은 서로 중복되지 않는 양의 정수를 예외번호로 가지고 있습니다.

 

이 번호들은 프로세서 설계자와 운영체제의 커널(운영체제의 메모리가 상주하는 부분) 설계자가 부여합니다.

 

전자, 즉 프로세서 설계자가 부여한 오류의 종류에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

0으로 나누기, page fault, 메모리 접근 위반, breakpoin, 산술연산 오버플로우가 포함됩니다.

 

후자, 즉 커널 설계자가 부여한 오류의 종류는 다음과 같습니다.

시스템 콜, 외부 I/O 장치로부터의 시그널이 포함됩니다.

 

 

 

시스템 부팅 시(컴퓨터가 리셋되거나 전원이 공급되는 경우) 운영체제는 예외 테이블을 할당하고 초기화합니다.

 

런타임 시 프로세서는 이벤트가 발생했다는 것을 감지하고 대응되는 예외번호 n를 결정합니다.

프로세서는 그 후에 예외 테이블의 인덱스 n를 통해서 간접적으로 프로시저를 호출하는 방법으로 예외상황을 발생시킵니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 예외 테이블(Exception Tables)

예외 테이블은 다음과 같은 형태를 가집니다.

 

각 이벤트 타입은 예외 번호 n을 가집니다.

 

n은 예외 테이블의 인덱스이며, 이를 인터럽트 벡터(interrupt vector)라고도 부릅니다.

 

핸들러 n은 예외상황 n이 발생할 때 호출됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 예외 상황과 프로시저 콜의 차이

예외 상황은 프로시저 콜과 유사하지만, 중요한 차이점이 있습니다.

프로세서는 프로시저 콜을 사용해서 핸들러로 분기하기 전에 스택에 리턴주소를 푸쉬합니다.
이때 저장되는 리턴주소는 예외의 종류에 따라 현재 인스트럭션이거나, 다음 인스트럭션입니다.

프로세서는 핸들러가 리턴할 때 중단된 프로그램을 다시 시작하기 위해 필요하게 될 추가적인 프로세서 상태를 스택 상에 푸쉬합니다.

제어가 사용자 프로그램에서 커널로 전환하고 있을 때, 이 모든 아이템들은 사용자 스택 위가 아니라 커널 스택 상에 푸쉬됩니다.

예외 핸들러는 커널 모드에서 돌아갑니다.
이는 이들이 모든 시스템 자원에 완전히 접근할 수 있음을 의미합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 ECF(예외)의 종류

ECF는 4가지 종류로 구분할 수 있습니다.

 

우선 크게 보자면 동기형(Synchronous)과 비동기형(Asynchronous)으로 구분될 수 있는데, 각각에 포함되는 ECF는 다음과 같습니다.

비동기형: 
Interrupt(인터럽트)

동기형:
Trap(트랩), Fault(오류), Abort(중단)

(이때 오류(Fault)는 예외(Error)와 다릅니다.)

동기형 ECF는 인스트럭션을 실행한 결과로 발생하는데,

이때 이러한 인스트럭션들을 오류 인스트럭션(faulting instruction)이라고 부릅니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 비동기형 예외 - Interruput(인터럽트)

인터럽트는 프로세서 외부에 있는 입출력 디바이스로부터의 시그널의 결과로써, 비동기적으로 발생합니다.

비동기적으로 발생한다는 것은 특정 인스트럭션을 실행해서 발생하는 것이 아니라는 의미입니다.

하드웨어 인터럽트를 처리하기 위한 예외 핸들러는 종종 인터럽트 핸들러(Interrupt hander)라고 부릅니다.

 

 

발생하는 예시는 다음과 같습니다.

입출력 인터럽트:
키보드에서 ctrl + c 를 누른다.
네트워크에서 패킷이 들어왔다.
디스크에서 한 개의 섹터가 읽혀 들어왔다.

하드 리셋 인터럽트:
컴퓨터의 리셋 버튼을 눌렀다.

소프트 리셋 인터럽트:
컴퓨터에서 crtl+alt+delete를 눌렀다

 

 

 

 

 

👉 인터럽트의 처리

네트워크 어댑터, 디스크 컨트롤러, 타이머 칩 같은 입출력 디바이스들은 프로세서의 인터럽트 핀에 신호를 보내서 인터럽트를 발생(세팅)시키고, 인터럽트를 발생시킨 디바이스를 식별하는 예외번호를 시스템 버스에 보냅니다.

 

현재의 인스트럭션이 실행을 완료한 후에, 프로세서는 인터럽트 핀이 high로 올라갔다는 것을 발견합니다.

 

이후 시스템 버스에서 예외번호를 읽고, 적절한 인터럽트 핸들러를 호출합니다.

 

핸들러를 리턴할 때, 제어를 다음 인스트럭션으로 돌려줍니다.

(현재 인스트럭션이 아닌 다음 인스트럭션으로 돌려주는 것입니다.)

 

이를 통해 프로그램이 마치 인터럽트가 발생하지 않았던 것처럼 계속해서 실행되는 효과를 얻을 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 동기형 예외 - Trap(트랩)

트랩은 의도적인 예외상황으로, 어떤 인스트럭션을 실행한 결과로 발생합니다.

인터럽트 핸들러와 마찬가지로 트랩 핸들러는 제어를 다음 인스트럭션으로 리턴합니다.

 

트랩의 가장 중요한 사용은 시스템 콜(System call)이라고 알려진 사용자 프로그램과 커널 사이의 인터페이스를 제공하는 것입니다.

 

프로그래머의 관점에서 시스템 콜은 보통의 함수 호출과 동일합니다.

그렇지만 실제 구현은 매우 다릅니다.

 

보통의 함수는 사용자 모드에서 돌아가며, 이 때문에 실행할 수 있는 인스트럭션들이 제한적입니다.

 

이에 반해 시스템 콜은 커널 모드에서 작동하므로, 이로 인해 커널 내에서 정의된 스택에 접근하며 특권을 가진 인스트럭션들을 실행할 수 있게 해줍니다.

 

트랩의 종류에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• system calls
• breakpoint traps
• special instructions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 동기형 예외 - Fault(오류)

오류는 핸들러가 정정할 수 있을 가능성이 있는 에러의 결과로 발생합니다.

오류(Fault)가 발생하면 프로세서는 제어를 오류 핸들러로 이동해줍니다.

 

만일 핸들러가 에러 조건을 정정할 수 있다면, 제어를 오류를 발생시킨 인스트럭션으로 돌려주어서 거기서부터 재실행합니다.

만일 그렇지 않은 경우에는 핸들러는 커널 내부의 abort 루틴으로 리턴하여 오류를 발생시킨 응용 프로그램을 종료합니다.

 

Fault의 종류에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

• page fault
• protection fault
• floating point exceptions

 

 

 

 

⭐️ Page fault

Fault 의 고전적인 예시는 Page fault로, 이는 인스터럭션이 가상메모리 테이블을 참조했을 때 대응되는 실제 메모리 page가 존재하지 않는 상황이며, 따라서 디스크에서 가져와야 할 때 발생합니다.

 

페이지 오류 핸들러는 디스크에서 적절한 페이지를 로드해서 오류를 발생시킨 인스트럭션으로 제어를 넘겨줍니다.

 

이 인스트럭션이 다시 실행될 때에는 적절한 페이지가 메모리에 존재하게 되므로 인스트럭션은 오류를 발생시키지 않고 동작할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 동기형 예외 - Abort(중단)

중단은 대부분 하드웨어 오류와 같이 복구 불가능한 치명적인 에러에서 발생합니다.

중단(Abort) 핸들러는 절대로 응용프로그램으로 제어를 리턴하지 않고, 종료하는 중단 루틴으로 반환합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 시스템 콜 (x86-64)

시스템 콜(system call), 간단히 시스콜(syscall)은 운영체제의 커널이 제공하는 서비스에 대하여,
응용 프로그램의 요청에 따라 커널에 접근하기 위한 인터페이스입니다.

리눅스는 파일을 읽거나 쓸 때, 또는 새로운 프로세스를 만들 때 응용 프로그램이 사용할 수 있는 수백 개의 시스템 콜을 제공합니다.

각 시스템 콜은 커널 점프 테이블의 오프셋에 대응되는 유일한 정수를 가집니다.

 

다음은 많이 사용하는 주요 시스템 콜입니다.

 

C 프로그램은 syscall 함수를 사용해서 직접 시스템 콜을 호출할 수 있습니다.

그렇지만 이것은 실제로는 거의 불필요합니다.

 

표준 C 라이브러리는 대부분의 시스템 콜에 대하여 편리한 래퍼 함수들을 제공합니다.

 

래퍼 함수들은 인자들을 패키징하고, 커널을 적절한 시스템 콜 인스트럭션으로 트랩을 걸고, 호출하는 프로그램으로 시스템 콜의 리턴 상태를 전달합니다.

 

 

 

 

리눅스 시스템 콜에 전달되는 모든 인자들은 스택보다는 범용 레지스터를 통해서 이뤄집니다.

관습적으로 레지스터 %rax는 시스템 콜 번호를 보관하며,

%rdi, %rsi, %rdx, %r10, %r8, %r9에 최대 여섯개의 인자들을 보관할 수 있습니다.

 

또한 리턴 값은 %rax에 보관되며, -4095에서 -1 사이의 음수 리턴 값은 음수의 errno에 대응하는 에러를 나타냅니다.