시스템 호출?

애플리케이션은 대량의 데이터 처리와 높은 성능이 요구되는 경우가 많기에,
시스템 호출의 원리와 동작 방식을 이해하면 병목 현상을 분석하고 최적화하는 데 큰 도움이 된다.
예를 들어, 파일 읽기나 네트워크 요청 처리에서 비효율적인 시스템 호출을 줄이거나,
비동기 I/O 기술을 활용하여 처리 속도를 높이는 방식으로 성능을 개선할 수 있다.

또한, 리소스 관리 측면에서도 시스템 호출을 잘못 사용하면
메모리 누수, 파일 디스크립터 부족, 소켓 연결 초과와 같은 문제를 초래할 수 있다.
이러한 문제를 예방하고 안정적인 애플리케이션을 설계하려면
시스템 호출의 동작 방식과 에러 처리 메커니즘을 이해해야 한다.
운영 체제와의 효율적인 상호작용을 통해 성능, 안정성, 확장성을 모두 갖춘 서버를 구현하는
개발자가 되기 위해 필수적인 지식이라 할 수 있다.

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시스템 호출

시스템 호출(System Call)은 운영 체제와 사용자 프로그램 간의 인터페이스를 제공하는 메커니즘으로, 애플리케이션이 운영 체제의 서비스를 요청하기 위해 사용하는 주요 방법이다. 운영 체제는 하드웨어 리소스를 관리하고 사용자 프로그램이 직접 하드웨어에 접근하지 못하도록 보호막 역할을 한다. 시스템 호출은 이 과정에서 애플리케이션이 운영 체제의 도움을 받아 간접적으로 하드웨어와 상호작용할 수 있게 한다.

 

 

주요역할

• 운영 체제의 역할: 시스템 호출을 통해 애플리케이션은 파일 관리, 프로세스 관리, 메모리 관리, 네트워크 통신 등 다양한 서비스를 요청할 수 있다.
• 유저 모드(User Mode)와 커널 모드(Kernel Mode):
  • 유저 모드는 애플리케이션이 실행되는 안전한 모드.
  • 커널 모드는 운영 체제가 실행되는 권한이 높은 모드로, 하드웨어에 직접 접근할 수 있다.
  • 시스템 호출은 유저 모드에서 커널 모드로의 전환을 포함한다.

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시스템 호출의 작동 과정

 

• 사용자 프로그램 호출:
  • 사용자 프로그램이 특정 작업(예: 파일 읽기)을 요청합니다.
  • 이 요청은 라이브러리 함수(예: C 표준 라이브러리의 read())를 통해 시스템 호출로 변환됩니다.
• 시스템 호출 번호:
  • 운영 체제는 시스템 호출을 식별하기 위해 고유 번호를 사용합니다.
  • 예를 들어, Linux에서는 파일 읽기를 위한 sys_read에 특정 번호가 할당됩니다.
• 커널로의 전환:
  • 사용자 프로그램이 trap 또는 software interrupt 명령을 실행해 커널로 제어를 넘깁니다.
  • 이 과정에서 CPU는 커널 모드로 전환됩니다.
• 운영 체제 처리:
  • 커널은 시스템 호출 번호를 참조하여 해당 서비스 루틴을 실행합니다.
  • 예를 들어, 파일을 읽는 요청이라면 커널의 파일 시스템 모듈이 동작합니다.
• 결과 반환:
  • 커널은 처리 결과(성공 또는 실패 상태 및 결과 값)를 사용자 프로그램으로 반환합니다.
  • CPU는 다시 유저 모드로 전환됩니다.

- 시스템 호출 고유번호?

리눅스에서는 시스템 호출 번호가 /usr/include/asm/unistd_64.h 또는 /usr/include/x86_64-linux-gnu/asm/unistd_64.h에 정의되어 있다. 몇 가지 예를 들면:

read	0	파일 또는 입력에서 읽기
write	1	파일 또는 출력에 쓰기
open	2	파일 열기
close	3	파일 닫기
fork	57	프로세스 생성
execve	59	새 프로그램 실행
exit	60	프로세스 종료

 

결국 시스템 호출은 유저모드로 실행되던 CPU를 커널모드로 바꾸어 모든 자원에 접근가능한 실행권한을 갖추게 하는것이 첫번째 시스템 호출이 되고 

두번째 이후 부터 read(), write(), open() 과 같은 시스템 호출로 이어진다.

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주요 시스템 호출의 분류

프로세스 제어:

• ex )  fork(), exec(), exit(), wait()
• 프로세스 생성, 실행, 종료 및 동기화를 관리.

파일 관리:

• ex )  open(), read(), write(), close()
• 파일 열기, 읽기, 쓰기, 닫기 등의 작업을 처리.

장치 관리:

• ex )  ioctl(), read(), write()
• 디바이스와의 데이터 교환 및 설정을 관리.

통신:

• ex )  socket(), send(), recv()
• 프로세스 간 통신(IPC) 및 네트워크 통신을 지원.

정보 유지:

• ex)  getpid(), gettimeofday(), uname()
• 프로세스, 시간, 시스템 상태 등의 정보를 제공.

시스템 호출의 중요성

안정성: 사용자 프로그램이 하드웨어에 직접 접근하지 못하도록 보호.

추상화: 복잡한 하드웨어 동작을 간단한 인터페이스로 제공.

효율성: 운영 체제의 효율적인 자원 관리를 지원.