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User Stack(사용자 스택)

• 사용자 모드에서 실행되는 프로그램이 사용하는 메모리 영역 중 하나로, 함수 호출 시 필요한 데이터(예: 인자, 로컬 변수, 복귀 주소 등)를 임시로 저장하는 구조입니다.
• User Stack은 프로그램의 실행 흐름을 관리하고, 함수 호출과 반환에 필요한 정보를 저장하는 데 중요한 역할을 합니다.

 

User Stack의 주요 특징과 역할

1. 함수 호출 관리
   • User Stack은 함수 호출 시 필요한 데이터를 저장하는 구조로, 함수가 호출될 때마다 함수 인자, 로컬 변수, 복귀 주소(Return Address) 등이 스택에 쌓입니다.
   • 함수가 실행을 마치고 반환될 때는 이 스택에 쌓인 데이터를 사용해 이전 상태로 복귀합니다.
2. LIFO(Last-In, First-Out) 구조
   • User Stack은 LIFO(후입선출) 구조로, 마지막에 저장된 데이터가 가장 먼저 제거됩니다.
   • 이를 통해 함수 호출과 반환을 자연스럽게 관리할 수 있으며, 호출된 함수가 종료되면 스택에 저장된 이전 함수의 상태로 돌아갑니다.
3. 프로그램 실행 중 할당과 해제
   • User Stack은 프로그램 실행 중 동적으로 확장 및 축소됩니다.
   • 함수가 호출될 때 스택 프레임이 생성되어 스택에 데이터가 쌓이고, 함수가 반환될 때 해당 스택 프레임이 해제됩니다.
4. 프로세스별 독립된 스택
   • 각 프로세스는 독립적인 User Stack을 가지므로, 다른 프로세스의 스택을 참조하거나 수정할 수 없습니다. 이는 메모리 보호와 프로세스 격리를 위한 중요한 기초가 됩니다.

 

User Stack에 저장되는 데이터

1. 함수 인자: 함수 호출 시 전달되는 인자들이 스택에 저장됩니다.
2. 복귀 주소: 함수 호출이 완료된 후 돌아가야 할 주소(복귀 주소)가 저장됩니다.
3. 로컬 변수: 함수 내에서 선언된 로컬 변수들이 스택에 저장됩니다.
4. 중간 연산 결과: 일부 연산의 중간 결과도 임시로 스택에 저장될 수 있습니다.

 

User Stack의 중요성

• 함수 호출과 반환의 흐름 관리: User Stack은 프로그램이 실행 중에 함수 호출과 반환의 순서를 관리하는 데 필수적입니다.
• 프로세스의 독립성 유지: 각 프로세스는 고유한 User Stack을 갖고, 이를 통해 프로세스 간의 데이터 간섭을 방지할 수 있습니다.
• 메모리 보호: User Stack은 운영체제가 관리하여, 사용자 프로그램이 커널 스택이나 다른 프로세스의 스택을 임의로 접근하지 못하도록 보호합니다.

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Extra 1

StackFrame을 학습하면 UserStack뿐만 아니라 가상메모리등 다양한 부분에서 도움이 될거 같아 추가적으로 학습한 내용을 정리하려고 합니다.

 

스택 프레임 (Stack Frame)

• 스택 프레임은 함수 호출과 관련된 데이터(매개변수, 지역 변수, 리턴 주소 등)를 저장하기 위해 스택에서 할당된 메모리 공간입니다. 이는 함수 호출 간의 데이터를 유지하고 함수가 종료된 후 원래 호출 위치로 돌아가기 위한 정보를 포함합니다.

스택 프레임의 구조

• 일반적으로 함수가 호출되면 다음과 같은 데이터들이 스택에 저장됩니다:
  1. 리턴 주소 (Return Address)
     • 호출된 함수가 종료된 후, 호출한 함수로 돌아갈 주소.
     • 호출한 함수의 명령어 포인터(Instruction Pointer, EIP)가 저장됩니다.
  2. 매개변수 (Arguments/Parameters)
     • 호출된 함수에 전달되는 인자.
     • 호출 규약(Calling Convention)에 따라 스택에 저장되거나 레지스터를 통해 전달됩니다.
  3. 저장된 레지스터 (Saved Registers)
     • 호출된 함수가 실행 중 변경될 수 있는 호출자/피호출자 레지스터 값을 저장.
     • 예: EBP, ESP, EIP 등의 레지스터.
  4. 지역 변수 (Local Variables)
     • 호출된 함수 내부에서 선언된 변수들이 저장됩니다.
     • 함수가 종료되면 이 공간은 해제됩니다.
  5. 프레임 포인터 (Frame Pointer, EBP)
     • 스택 프레임의 기준이 되는 포인터.
     • 이전 스택 프레임의 시작 위치를 가리킵니다.

스택 프레임 해제 과정

• 함수가 종료되면 스택 프레임이 해제됩니다. 과정은 다음과 같습니다:
  1. 지역 변수 공간 해제
     • 스택 포인터(ESP)를 프레임 포인터(EBP) 위치로 복구합니다.
  2. 프레임 포인터 복원
     • 이전 스택 프레임의 기준(EBP)을 복구합니다.
  3. 리턴 주소 복원
     • 스택에 저장된 리턴 주소를 EIP에 복원합니다.

 

스택 프레임의 시각화

주소	내용
높은 주소	...
리턴 주소	main 함수에서 호출한 위치 저장
저장된 EBP	이전 스택 프레임의 시작 주소 저장
매개변수	함수 호출 시 전달된 인자
지역 변수	함수에서 선언된 변수
낮은 주소	...

 

스택 프레임의 중요성

• 함수 호출 간 독립성 보장: 각 함수 호출마다 독립된 스택 프레임이 생성되므로 함수 간 간섭 없이 실행할 수 있습니다.
• 재귀 함수 지원: 스택 프레임을 사용하면 각 재귀 호출에 대해 별도의 공간을 제공하므로 함수 상태를 유지할 수 있습니다.
• 디버깅: 프레임 포인터(EBP)를 따라가면 함수 호출 스택을 추적할 수 있습니다.

 

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Extra 2

유저모드 커널모드가 있듯이 유저스택 커널스택이 존재한다. 커널스택에 대해 추가 학습을 진행한 내용을 정리하려고 한다.

 

커널 스택(Kernel Stack)

• 운영체제가 커널 모드에서 실행되는 동안 사용할 수 있도록 각 프로세스마다 별도로 제공되는 스택입니다.
• 커널 스택은 주로 시스템 호출이나 인터럽트 핸들러가 실행되는 동안 커널 모드에서의 함수 호출 및 반환을 위한 데이터(예: 지역 변수, 함수 호출 순서, 리턴 주소 등)를 저장합니다.

 

커널 스택의 특징

1. 프로세스별 스택
   • 커널 스택은 각 프로세스마다 별도로 제공됩니다.
   • 사용자 스택과는 별도로 유지되며, 프로세스가 커널 모드로 전환될 때 활성화됩니다.
2. 크기가 고정됨
   • 커널 스택은 일반적으로 크기가 작고(예: 4KB, 8KB 등) 고정되어 있습니다. 이는 커널 스택이 커널 메모리 공간에 저장되기 때문에 메모리 사용 효율성을 높이기 위함입니다.
3. 커널 모드에서만 접근 가능
   • 커널 스택은 사용자 모드에서 접근할 수 없습니다. 이는 커널 메모리 보호를 위한 보안 조치입니다.
4. 단일 스레드 접근
   • 프로세스의 커널 스택은 해당 프로세스의 스레드가 실행될 때만 사용되므로, 병렬 액세스 문제가 발생하지 않습니다.

 

커널 스택의 구성

구성 요소	설명
인터럽트 컨텍스트	인터럽트 처리 시 저장되는 레지스터 값, 상태 정보 등을 저장
함수 호출 스택	커널 함수 호출 시 저장되는 함수의 매개변수, 복귀 주소, 지역 변수
트랩 프레임	사용자 모드에서 커널 모드로 전환 시 레지스터와 CPU 상태 저장

 

커널 스택의 동작

1. 시스템 호출 시
   • 프로세스가 사용자 모드에서 커널 모드로 전환될 때, 커널 스택이 활성화됩니다.
   • 현재 실행 중인 함수의 상태(예: 사용자 스택 포인터 ESP, 프로그램 카운터 EIP)는 커널 스택에 저장됩니다.
2. 인터럽트 발생 시
   • 인터럽트 핸들러는 커널 스택을 사용하여 상태 정보를 저장하고 복원합니다.
   • 현재 실행 중이던 사용자 스택 상태는 커널 스택으로 백업되며, 인터럽트 처리가 완료되면 복원됩니다.
3. 함수 호출 시
   • 커널 모드에서 호출되는 모든 함수는 커널 스택을 사용하여 로컬 데이터를 저장하거나 함수 간 호출 순서를 관리합니다.

 

사용자 스택 vs 커널 스택 비교

	커널 스택	유저 스택
접근 권한	커널 모드에서만 접근 가능	사용자 모드에서 접근 가능
스택 위치	커널 메모리 공간에 위치	사용자 메모리 공간에 위치
스택 크기	고정된 크기 (일반적으로 작음, 4KB 등)	동적으로 확장 가능
역할	시스템 호출 및 인터럽트 처리 시 사용	사용자 프로그램의 함수 호출 및 실행에 사용
보안	사용자 프로세스가 접근할 수 없음	사용자 프로세스가 직접 관리