Linux System Calls 리눅스 시스템 호출

Linux System Calls

I. 시스템 호출(System Calls) 개요

- 시스템 호출(System Call)은 커널이 자신을 보호하기 위해 만든 인터페이스이다. 커널은 사용자나 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 자원에 직접 접근하는 것을 차단하므로, 자원을 이용하려면 시스템 호출이라는 인터페이스를 이용하여 접근해야 한다.

- 시스템 호출은 근본적으로 유저모드에서 실행되고 있는 프로그램으로부터 OS를 향해 만들어진 요청으로써, 특정 권한이 필요한 액션을 수행하도록 요청한다. 가장 흔한 시스템 호출의 예시는 파일을 열기,닫기,새로운 프로세스 생성하기, 메모리 관리하기 등의 작업이 있다. 이러한 작업들은 유저 레벨 코드에서 직접 수행될 수 없기 때문에 커널, OS 레벨에서 수행된다.
  
- 응용 프로그램 입장에서의 시스템 호출을 살펴보면, 어떤 응용 프로그램은 숫자 14를, 또 어떤 응용 프로그램은 숫자 21을 하드디스크에 저장하려 한다고 가정할 수 있다. 두 응용 프로그램이 자기 마음에 드는 위치에 직접 접근하여 데이터를 저장할 수 있도록 허용한다면, 다른 사람의 데이터를 지우거나 내 데이터가 다른 사람에 의해 지워질 수도 있다.
  
- 시스템 호출을 통한 접근의 경우, 응용 프로그램이 직접 하드디스크에 데이터를 저장하지 않고 커널이 제공하는 write() 함수를 사용하여 데이터를 저장해달라고 요청하는 것이다. 응용 프로그램은 데이터가 하드디스크의 어느 위치에 어떤 방식으로 저장되는지 직접 알 수 없고, 데이터를 읽을 때는 read() 함수로 시스템 호출을 이용하여 가져올 수 있다. 이처럼 시스템 호출을 이용하면 커널이 데이터를 가져오거나 저장하는 행위를 전적으로 책임지기 때문에 컴퓨터 자원을 관리하기 수월해지는 이점이 있다.

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II. 시스템 호출이 동작하는 방식

- 유저모드에서 실행중인 프로그램이 시스템호출을 하기 위해서는 프로세서를 Kerenel 모드로 변경하여 특정 권한이 필요한 액션 수행 및 리소스 접근이 가능할 수 있도록 한다. 이 과정을 Software Interrupt 이라고 한다.

- 인터럽트란 액션이 필요한 하드웨어/소프트웨어에서 이벤트에 대해 프로세서에게 보내는 알림 신호이다. 응용프로그램에 의해 소프트웨어 인터럽트가 발생하면, 프로세서에 특정 인터럽트 코드를 보내 OS의 인터럽트 핸들러 루틴을 실행하도록 트리거한다.

- 인터럽트 핸들러 루틴은 OS 커널 레벨에 사전에 정의된 코드로 유저 레벨 프로그램의 인터럽트를 다룰 수 있도록 디자인되어있다. 발생된 시스템 호출 내용을 식별하고 인풋 파라미터를 검증한 뒤 응용프로그램을 대신하여 요청받은 작업 또는 리소스 접근을 수행한다.

- 요청받은 작업이 모두 완료되고 나면 인터럽트 핸들러 루틴은 작업 결과값을 반환함으로써 다시 응용프로그램에게 제어권(control)을 넘기고, 응용프로그램은 인터럽트 요청 직전에 수행중이던 작업을 이어나가게 된다.

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III. 시스템 호출의 비용적 측면

- 시스템 호출은 실행중이던 응용프로그램 동작을 멈추고 인터럽트 핸들러 루틴을 호출하므로 자원 사용율 측면에서 상대적으로 비싼(?) 프로세스이다. 이에 따라 효율적인 시스템 호출 방식과 루틴의 구조가 중요해지는데, 이는 OS/하드웨어/소프트웨어 별로 약간씩 다른 특징을 지니게 된다. 예를 들어 OS 별로 여러 가지의 작업들이 1회 호출 이내에 한번에 수행될 수 있도록 하여 오버헤드를 줄이는 데 도움이 되는 각기 다른 방식의 시스템 호출 방식을 지원하는 식이다. 예: Linux - ioctl() , Windows - CreateProcess() , macOS - xattr()

- 또 프로세서 별로 시스템호출을 위한 각기 다른 하드웨어적 서포트를 지원하여 보다 적은 오버헤드로 요청받은 작업을 빠르게 수행할 수 있도록 설계되어있다. (프로세서가 자동으로 커널모드로 전환 후 인터럽트 핸들러 루틴 진입> Context Switch로 발생되는 오버헤드 최소화) 로써의 기능적 문맥은 동일하다. 

- x86-64 아키텍처: syscall 
- ARM 아키텍처: svc(superviso call) 
- IBM POWER 아키텍처: sc(system call)