시스템 콜 System Call
본 글은 제 개인적인 공부를 위해 작성한 글입니다. 틀린 내용이 있다면 언제든지 피드백을 주시면 감사하겠습니다. 참고로만 활용해주시길 바랍니다.
시스템 콜(System Call)
시스템 호출 또는 시스템 콜(System Call), 간단히 시스콜(Syscall)은 응용 프로그램이 운영체제의 커널에게 서비스를 요청하거나 하드웨어와 상호작용하기 위한 인터페이스이다.
보통 C나 C++와 같은 고급 언어로 작성된 프로그램들은 직접 시스템 콜을 사용할 수 없기 때문에 API를 통해 시스템 콜에 접근한다.
시스템 콜이 생성되면 CPU는 사용자 모드에서 커널 모드로 전환하고 시스템 콜에 의해 정의된 특정 작업을 수행한다.
운영 체제의 구성 상, 커널과 응용 프로그램은 CPU의 권한 수준이나 하드웨어 접근 능력이 다르다.
커널은 운영체제의 핵심 부분이며 메모리에 물리 주소가 일치하는 링커 구조를 가지고 특정 메모리 위치에서 동작한다.
이때 커널의 기계어 코드에서 사용하는 모든 주소는 물리 주소로 고정되어 컴파일되고 로드되어 실행된다.
따라서 커널은 부팅 과정에서 전체 메모리 자원 중 일정 부분을 점유하여 동작하고 인터럽트 등 CPU 시스템의 모든 하드웨어 접근이 가능하다.
하지만 응용 프로그램은 사용자에게 서비스를 제공하는 프로그램이며 커널이 제공하는 자원을 사용하므로 상황에 따라 다른 위치의 메모리를 점유하고 실행된다.
응용 프로그램은 사용자 요청에 따라 실행되는 프로그램이므로 물리 주소를 확정할 수 없다.
따라서 응용 프로그램은 MMU(Memory Management Unit)를 통해 논리 주소를 물리 주소로 변환한다.
그리고 응용 프로그램은 CPU의 권한 수준이 사용자 공간(User Space)에서 동작하며 특정한 기계어 명령어 실행이 불가능하다.
이와 같은 상황에서 응용 프로그램이 파일 시스템을 사용하는 등 기타 여러 상황을 커널에 의존해야만 한다.
응용 프로그램에서 커널의 서비스를 사용하는 방법이 시스템 호출이다.
| 특징 | 커널 | 응용 프로그램 |
|---|---|---|
| 권한 수준 | 높음 (시스템 공간) | 낮음 (사용자 공간) |
| 하드웨어 접근 | 직접 가능 | 커널을 통해 간접적으로 가능 |
| 메모리 위치 | 물리 주소 사용 | 논리 주소 사용 (MMU를 통해 변환) |
| 개발 방식 | 물리 주소 기반 컴파일 | 논리 주소 기반 컴파일 |
| 실행 환경 | 특정 메모리 위치에서 고정 | 상황에 따라 메모리 위치 변경 |
| 시스템 호출 | 사용 가능 | 시스템 호출을 통해 커널 서비스 이용 |
시스템 콜의 특징
다양한 작업을 수행하기 위한 다양한 유형의 시스템 콜이 있다.
가령, 파일 시스템 접근, 네트워크 통신, 메모리 관리, 프로세스 관리 등 하드웨어 자원에 접근해서 작업을 수행할 때 시스템 콜을 호출한다.
시스템 콜은 커널이 제공하는 시스템 자원의 사용과 연관된 함수라고 볼 수 있다. 일반적으로 고급 프로그래밍 언어를 사용할 때 제공하는 라이브러리 함수를 통해 호출되기 때문이다. 라이브러리 함수는 사용자 모드에서 실행되며, 해당 기능을 수행하기 위해 운영체제의 커널 모드로 전환된다.
대부분의 프로그래밍 언어에서는 시스템 콜을 추상화하여 사용하기 쉽게 라이브러리 함수 형태로 제공한다.
시스템 콜은 운영체제의 핵심적인 기능에 접근하는 역할을 하므로, 보안과 안정성이 매우 중요하다. 운영체제의 자원과 기능은 시스템 콜을 통해서만 제공한다.
시스템 콜의 간략한 과정
System Call Process
- 사용자 모드에 있는 응용 프로그램이 시스템 콜을 호출하여 커널의 기능을 사용할 수 있게 한다.
- 시스템 콜을 호출하면 사용자 모드에서 커널 모드로 전환된다.
- 커널에서 시스템 콜을 처리하면 커널 모드에서 사용자 모드로 되돌아가 작업을 계속한다.
시스템 콜의 유형
- 프로세스 제어 (Process Control)
fork()- 프로세스를 복제한다.execve()- 새로운 프로그램을 실행한다.wait()- 자식 프로세스가 종료될 때까지 대기한다.exit()- 프로세스를 종료한다.kill()- 프로세스를 강제 종료한다.
- 파일 조작 (File Manipulation)
open()- 파일을 열고 읽거나 쓰기 위한 준비를 한다.read()- 열린 파일에서 데이터를 읽는다.write()- 열린 파일에 데이터를 쓴다.close()- 열린 파일에 데이터를 쓴다.
- 장치 관리 (Device Manipulation)
open()- 파일 또는 장치를 열고 읽거나 쓰기 위한 준비를 한다.read()- 열린 파일 또는 장치에서 데이터를 읽는다.write()- 열린 파일 또는 장치에 데이터를 쓴다.close()- 열린 파일 또는 장치에 데이터를 쓴다.
- 정보 유지 (Information Maintenance)
getpid()- 현재 프로세스의 ID를 반환한다.getuid()- 현재 프로세스의 사용자 ID를 반환한다.time()- 현재 시간을 반환한다.clock()- 프로세스가 실행된 시간을 반환한다.
- 통신 (Communication)
socket()- 소켓을 생성한다.bind()- 소켓을 주소에 연결한다.listen()- 소켓을 연결 요청을 수락하도록 설정한다.accept()- 연결 요청을 수락하고 새로운 소켓을 반환한다.connect()- 서버에 연결한다.
참고