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PROJECT 2: USER PROGRAMS

핀토스 2주차 과제인 User Programs의 목표는 유저 프로그램이 시스템 콜을 통해 pintos와 상호작용할 수 있도록 하는 것이다. 따라서 아래 5 단계의 서브 목표를 구현해야 한다.

  • Argument Passing
  • User Memory Access
  • System Calls
  • Process Termination Message
  • Deny Write on Executables

Background

프로그램 실행 과정

  1. 디스크에서 실행 가능한 파일을 읽는다
  2. 프로그램 실행을 위해 메모리를 할당한다.
  3. 프로그램에 매개변수를 전달한다.
  4. 유저 프로그램으로 컨텍스트 스위치

Pintos filesystem

프로그램을 실행하기 위해서는 디스크에서 실행 가능한 파일을 읽어야 한다.

핀토스에서는 virtual disk(모의 디스크)를 생성한 후 유저 프로그램을 해당 디스크에 넣어준 후 실행해야 한다(아마 핀토스가 실제 컴퓨터 하드웨어 위에서 동작하는 것이 아닌 시뮬레이터 위에서 동작하다보니 virtual disk를 만들어주는 것으로 보인다).

다음 명령어를 userprog/build에서 실행할 수 있다.

# 10 메가바이트 사이즈의 pintos 파일 시스템 파티션 하나를 포함하는 모의디스크 filesys.dsk를 생성 (실제로 build 디렉터리에 생성된다)
pintos-mkdisk filesys.dsk 10

(filesys.dsk가 생성된 모습)

#  filesys.dsk 디스크에 tests/userprog/args-single이라는 파일을 args-single이라는 이름으로 넣은 후(p) onearg라는 인자로 args-single 파일을 실행
pintos --fs-disk filesys.dsk -p tests/userprog/args-single:args-single -- -q -f run 'args-single onearg'

Running a program in pintos

아래 명령어를 터미널에 입력하면 핀토스가 부팅되고 filesys.dsk에 있는 'args-single onearg'라는 파일을 실행한다.

#  filesys.dsk 디스크에 tests/userprog/args-single이라는 파일을 args-single이라는 이름으로 넣은 후(p) onearg라는 인자로 args-single 파일을 실행
pintos --fs-disk filesys.dsk -p tests/userprog/args-single:args-single -- -q -f run 'args-single onearg'

pintos의 함수를 보며 어떤 과정을 거쳐 프로그램이 실행되는지 분석해보자.

  • init.c/main(void): 핀토스를 부팅하는 함수
  • init.c/run_actions(argv): 주어진 action을 실행하는 함수(ex: run, put)
  • init.c/run_task: 프로그램 실행의 첫 진입점.
  • process.c/processs_create_initd: file_name을 복제하고(load() 함수와 경쟁하지 않기 위해) thread_create() 함수를 호출한다.
  • thread.c/thread_create: 스레드 생성 후 initd 함수 실행
  • process.c/initd: process_init(), process_exec() 함수 실행
  • process.c/process_exec: load() 함수를 호출하고 load에 성공하면 do_ret 함수를 호출한다.
  • process.c/load: 페이지 테이블을 생성하고, ELF 헤더를 읽고, 파싱한다. ELF의 data를 data segment에 로드한다. 유저 스택을 생성하고 초기화 한다.
  • thread.c/do_iret: 커널 모드를 유저 모드로 전환한다.

Argument Passing

목표: process_exec() 함수에 있는 "유저 프로그램"을 위한 인자를 세팅

x86-64 시스템에서의 호출 규약

  1. 유저 레벨 어플리케이션은 %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9 시퀸스를 전달하기 위해 정수 레지스터를 사용한다.
  2. 호출자는 다음 인스트럭션의 주소를 스택에 푸시하고, 피호출자의 첫번쨰 인스트럭션으로 점프한다. CALL이라는 x86-64 인스트럭션이 이를 수행한다.
  3. 피호출자가 실행된다.
  4. 만약 피호출자가 리턴 값을 가지고 있다면, 리턴 값은 레지스터 RAX에 저장된다.
  5. 피호출자는 x86-64 인스트럭션인 RET을 이용해서, 스택에 푸시했던 리턴 주소를 pop하고 그 주소가 가리키는 곳으로 점프한다.

예시 그림으로 넣기

프로그램 시작과 관련된 디테일들

  1. 명령을 단어들로 쪼갭시다. /bin/ls, l, foo, bar 이렇게
  2. 이 단어들을 스택의 맨 처음 부분에 놓습니다. 순서는 상관 없습니다. 왜냐면 포인터에 의해 참조될 예정이기 때문이죠.
  3. 각 문자열의 주소 + 경계조건을 위한 널포인터를 스택에 오른쪽→왼쪽 순서로 푸시합니다. **이들은 argv의 원소가 됩니다. 널포인터 경계는 argv[argc] 가 널포인터라는 사실을 보장해줍니다. C언어 표준의 요구사항에 맞춰서 말이죠. 그리고 이 순서는 argv[0]이 가장 낮은 가상 주소를 가진다는 사실을 보장해줍니다. 또한 word 크기에 정렬된 접근이 정렬되지 않은 접근보다 빠르므로, 최고의 성능을 위해서는 스택에 첫 푸시가 발생하기 전에 스택포인터를 8의 배수로 반올림하여야 합니다.
  4. %rsi 가 argv 주소(argv[0]의 주소)를 가리키게 하고, %rdi 를 argc 로 설정합니다.
  5. 마지막으로 가짜 “리턴 어드레스”를 푸시합니다 : entry 함수는 절대 리턴되지 않겠지만, 해당 스택 프레임은 다른 스택 프레임들과 같은 구조를 가져야 합니다.