[Pintos] Project2_User Programs | 프로젝트 진행 방향 및 순서

들어가기 앞서

• PintOS에서 유저 프로그램들은 자신들이 컴퓨터 전체를 소유한다는 가정 하에 쓰인다.
• 하나의 프로세스에 하나의 스레드만 지원해야 한다.
• 멀티 스레드 프로세스는 지원하지 않는다.
• 우리는 메모리, 스케줄링 그 외 다른 상태들이 프로세스가 가진 이환상을 만족시키는 방향으로 관리해야 한다.
• 우리는 유저 프로그램들을 실행함으로써 운영체제를 테스트한다.
• 유저 프로그램 인터페이스가 이 문서에 적힌 규칙을 만족시키도록 해야 한다.
• 이 규칙만 지킨다면 커널 코드의 구조를 바꾸건 다시 짜도 된다.

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Argument Passing (인자 전달)

• 사용자 프로그램이 실행될 때 커맨드 라인 인자들을 프로그램에 전달하는 과정
• PintOS 는 커맨드 라인으로 프로그램을 실행하는 기능을 제공하는데, 이때 프로그램에 전달할 커맨드 라인 인자들은 process_exec() 함수를 통해 처리되어야한다.
• 우리는 이러한 인자들을 스택에 올바르게 저장하고,  프로그램이 min(int argc, char *argv[]) 형태로 해당 인자들을 받을 수 있도록 설정해야한다.
• 결론적으로 사용자 프로그램이 실행되기 전에 프로그램에 대한 인자를 설정하는 과정 을 구현해야 한다 .

/* ...usrprog/prcoess.c */

/* 현재 실행 컨텍스트를 f_name으로 전환합니다.
* 실패 시 -1을 반환합니다. */
int
process_exec (void *f_name) {
	char *file_name = f_name;
	bool success;

	/* We cannot use the intr_frame in the thread structure.
	 * This is because when current thread rescheduled,
	 * it stores the execution information to the member. */
	struct intr_frame _if;
	_if.ds = _if.es = _if.ss = SEL_UDSEG;
	_if.cs = SEL_UCSEG;
	_if.eflags = FLAG_IF | FLAG_MBS;

	/* We first kill the current context */
	process_cleanup ();

	/* And then load the binary */
	success = load (file_name, &_if);

	/* If load failed, quit. */
	palloc_free_page (file_name);
	if (!success)
		return -1;

	/* Start switched process. */
	do_iret (&_if);
	NOT_REACHED ();
}

주요 단계

• 커맨드 라인 파싱
  • 프로그램 실행시 시 입력된 명령어 문자열 을 개별 인자로 나눠야한다. (문자열 예 : echo Hello World)
  • 각 인자는 공백으로 구분되며, 프로그램 이름(echo)와 인자 (Hello World)로 구분된다 .
• 스택에 인자저장
  • 각 인자 문자열을 스택에 저장하고, 각 문자열의 주소를 저장하는 포인터 배열(argv)를 스택에 함께 저장한다.
  • argv 배열의 끝에는 NULL 포인터를 추가해 argv[argc]가 NULL을 가리키도록 한다 .
• 레지스터 설정
  • argc(인자 개수) 를 %rdi 레지스터에 저장하고, argv의 주소를 %rsi 레지스터에 저장한다. 이는 x86-64 호출 규약에 맞게 main() 함수가 인자들을 받을 수 있게 한다.
• 스택 정렬
  • 스택이 8바이트 단위로 정렬되도록 해야하며, 이를 위해 (필요한 경우) 패딩을 추가한다 .

구현 과제

• 기존 process_exec() 함수는 기본적으로 프로그램 파일 이름만 인자로 받는다. 이 함수를 확장하여 커맨드 라인 전체를 처리하도록 구현해야한다 .
  • 입력 문자열을 공백으로 나누어 개별 인자로 파싱.
  • 각 인자를 스택에 저장하고, argv 배열과 argc 값을 적절히 설정.
  • 메모리의 경계나 스택 정렬을 유지해 프로그램이 올바르게 실행 될 있도록 관리.

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User Memory Access

• 사용자 메모리 엑세스 구현.
  • sysCall 을 구현하려면 사용자 가상 주소 공간에서 데이터를 읽고 쓸 수 있는 법을 제공해야한다 . 그래서 System Calls 과정보다 먼저 진행하는것같다.
• 잘못된 메모리에 대한 접근을 막아야 한다 .

OS가 사용자 프로그램이 자신의 메모리에 접근 할 수 있도록 관리하는 과정이다.

이 과정에서 운영체제는 커널이 사용자 프로그램에 메모리 접근 권한을 제공하고, 이를 안전하게 관리하는데

중요한 역할을 한다 .

PintOS 는 가상메모리를 구현하지 않기 때문에, 사용자 프로그램의 메모리 접근을 커널이 제어해야한다.

 

주요 개념

• 사용자 메모리와 커널 메모리
  • PintOS 는 사용자 프로그램과 커널의 메모리 공간을 구분하여, 사용자 프로그램이 직접적으로 커널 메모리에 접근하지 않도록 한다
  • 사용자 프로그램은 자신의 가상 메모리 공간 내에서만 실행 될 수 있으며, 커널은 사용자 프로그램의 메모리접근을 관리한다.
• 사용자 메모리 보호
  • 사용자 프로그램은 커널 영역에 접근할 수 없으며, 만약 접근하려고 할 경우 페이지 폴트 (Page Fault) 를 발생 시켜야 한다.
  • 커널은 이러한 페이지 폴트를 처리하고, 적절한 오류를 반환하거나 프로그램을 종료시키는 등의 조치를 취할 수있다 .
• 메모리 페이지 관리
  • PintOS 는 메모리 페이지를 4KB 단위로 관리한다. 각페이지는 물리 메모리에서 고유한 주소를 가진다.
  • 사용자 프로그램이 메모리 페이지를 읽거나 쓸때 해당 페이지가 유효한지 확인해야 하며, 유효하지 않다면 페이지 폴트를 발생시켜야 한다.

주요 단계

• 메모리 접근 시도
  • 사용자 프로그램이 메모리를 읽거나 쓸 때 해당 메모리 주소가 사용자 영역 내에 있는지 확인하기
  • 만약 유효한 사용자 영역 내의 주소가 아니라면, 페이지 폴트 (Page Fault)가 발생하고 커널은 이를 처리해야 한다.
• 페이지 폴트 (Page Fault) 처리
  • 페이지 폴트는 프로그램이 자신에게 할당된 메모리 영역 외부를 접근하려 할 때 발생한다.
  • 페이지 폴트를 처리하는 함수인 page_fault()에서, 해당 주소가 커널 영역에 속하는지, 혹은 올바른 사용자 영역인지 확인한다.
  • 이때 메모리 접근이 올바르면 커널은 프로그램의 요청을 처리하여 메모리 접근을 허용한다.
• 페이지 테이블 관리
  • 사용자 프로그램은 페이지 테이블을 통해 가상 주소를 물리 주소로 변환하여 메모리를 참조한다 .
  • 커널은 각 프로그램에 대해 페이지 테이블을 관리하고, 이페이지 테이블을 통해 프로그램의 메모리 접근을 제어한다 .
• 스택 확장
  • 프로그램이 스택을 사용 할 떄 스택이 사용자 프로그램의 메모리 영역을 벗어나지 않도록 관리해야 한다.
  • 스택이 확장될 대마다, 페이지 폴트가 발생할 수 있으며 이를 처리하기 위한 로직이 필요하다 . (유효한 주소로만 접근 할 수 있도록 해야 한다 . )

구현내용

[메모리 접근 유효성 검사, 페이지 폴트 처리 , 스택 관리 , 페이지 테이블 관리 및 오류 처리]

이를 통해 메모리를 안전하게 보호하고 , 커널이 잘못된 메모리 접근을 처리 해야한다…

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System Calls

• System Calls 이란?
  • PintOS에서 System Call는 사용자 프로그램 이 운영체제의 기능에 접근하기 위해 사용하는 인터페이스 이다.
• 우리는 userprog/syscall.c 에서 시스템 호출 핸들러를 구현해야한다.
• 각 시스템 호출에 대한 시스템 호출 번호는 include/lib/syscall-nr.h 에 정의 되어있다.
• 오늘날 syscall 명령어는 x86-64에서 시스템 호출을 호출하는데 가장 일반적으로 사용되는 수단이다.
• Pintos 에서 사용자 프로그램은 syscall을 호출하여 시스템 호출을 한다.
• 시스템 호출 번호와 추가 인수 syscall 명령어를 호출하기 전에 일반 적인 방식으로 레지스터에 설정되어야 하지만 두 가지 사항은 예외 이다.
  • %rax 는 system call 번호 이다.
  • 네번째 인자는 %rcx가 아니라 %r10이다.

syscall_handler() 가 제어권을 얻으면 시스템 호출 번호는 rax에 있고 인수는 %rdi, %rsi, %rdx, %r10, %r8, %r9 순서로 전달된다. 호출자의 레지스터는 전달된  struct intr_frame에서 액세스 할 수 있다. (이건 커널스택에 있음.. ) 함수 반환 값에 대한 x86-64 규칙은 RAX 레지스터에 값을 배치하는것이다 . 값을 반환하는 시스템 호출은 struct intr_frame 의 rax 멤버를 수정하여 값을 반환 할 수 있다.

 

1. 시스템 콜 번호 매핑 (syscall_table 등)

2. 핸들러 함수 구현 (각 시스템 콜에 대한 처리 함수 작성)

3. 시스템 콜 인자 추출 및 처리 (예: exit(), exec() 등)

4. 프로세스 관련 시스템 콜 (exit(), exec(), wait())

5. 파일 I/O 시스템 콜 (open(), read(), write(), close())

6. 유효성 검사 및 오류 처리

7. 사용자-커널 간의 데이터 전달 (안전한 메모리 접근 관리)

 

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Process Termination Message

사용자 프로세스가 종료를 호출 하거나 다른 이유로 인해 종료 될때마다 프로세스의 이름과 종료 코드를 다음과 같이 출력한다.

printf(“%s: exit(%d)\\n”, …);

기존 구현되어 있던 process_exit(void) 함수에 유저 스레드인지 확인하는 분기처리 , 출력 처리 해야한다 .

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Deny Write On Executables

어떤 코드가 디스크에서 수정되고 있는 도중에 프로세스가 그 코드를 실행하려고 시도하면 예상치 못한 결과를 낳을 수 있기 때문에 많은 OS는 이를 방지한다.

이는 프로젝트 3에서 가상 메모리가 구현된 이후에 특히 중요해지는 부분이다.

이 기능은 운영체제의 보안과 안정성을 높이는데 필수적이다.

만약 실행 중인 바이너리 파일이 다른 프로세스에 의애 수정 될 수 있다면, 악성 코드나 비정상적인 프로그램이 실행 중인 프로그램의 코드를 변경하여  보안 취약점을 유발하거나 시스템의 무결성을 해칠 수 있다. 이를 방지하기 위해, 운영체제는 일반적으로 실행 중인 파일에 대한 쓰기 권한을 제한하는 메커니즘을 구현한다.

• 파일 열기 시 쓰기 제한 설정:
  • filesys_open() 함수나 파일 디스크립터 관련 함수에서 파일이 실행 중인지 확인하고, 실행중이라면 쓰기 접근을 제한해야한다.
  • 파일이 실행 중일 때 해당 파일을 writeable 속성을 false 로 설정하여 쓰기 작업을 제한한다.
• 프로세스가 파일을 실행할 때 설정:
  • process_execute() 함수나 프로세스가 실행 파일을 로드할 때, 해당 파일의 쓰기 권한을 제한한다 .
  • 실행 중인 파일 객체에 플래그를 설정하여 다른 프로세스가 해당 파일을 쓰기 모드로 열 수 없도록 한다.
• 프로세스 종료시 권한 해제:
  • 프로세스가 종료 될 때, 해당 프로세스가 사용하던 실행 파일의 쓰기 제한을 해제 해 준다.
  • process_exit() 함수에서 관련 파일 객체의 쓰기 제한을 해제 하여 다른 프로세스가 다시 쓰기 접근할 수 있게 한다 .

구현내용

• Sturct file 에서 deny_write 플래그 추가 (true or false ? )
• 파일이 이미 실행 중이고 deny_write 가 설정되어 있다면, 파일을 쓰기 모드로 열수 없도록 코드를 수정
• file_deny_write() 함수: 파일 객체에 쓰기 제한을 설정하는 함수. 실행중인 프로그램의 파일에 대해 호출된다한다.
• file_allow_write() 함수: 프로세스가 종료될 때 파일 객체에 쓰기 제한을 해제하는 함수다 .

동시성 문제

• 여러 프로세스가 동일한 파일에 접근할 때, 쓰기 제한이 올바르게 설정되고 해제되는지 확인할것
• 필요한 경우 lock을 사용하여 동기화를 보장해야할수도 있음

파일 닫기 시 처리

• 프로세스가 종료되거나  파일이 닫혔을 때 쓰기 제한이 해제 되도록 잘 처리해야할듯.

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Extend File Descriptor

핀토스가 리눅스의 stdin, stdout를 닫는 기능과 dup2 시스템 콜을 지원하도록 구현한다.

Open, close, read, write 시스템 콜은 파일 디스크립터를 통해 과일과의 상호작용을 수행한다.

프로세스마다 파일 디스크립터 테이블을 관리하며, 파일 디스크립터는 파일과 프로세스 간의 연결을 나타낸다.

• Open: 새로운 파일을 열어 파일 디스크립터를 할당하고 테이블에 등록한다.
• Close: 특정 파일 디스크립터를 닫고 테이블에서 제거하며, 리소스를 해제한다.
• Read / write: 특정 파일 디스크립터를 통해 데이터를 읽거나 쓴다.

구현내용

• Open, close, read, write 시스템 콜은 파일 디스크립터를 통해 파일에 접근하고 관리하는 방식구현