운영체제 커널에서 유저 공간으로 확장: 프로세스 실행과 시스템 콜 마법 구현

핵심 기술

본 콘텐츠는 운영체제(OS)의 핵심 기능인 프로세스 실행 및 유저 프로그램 관리를 커널 레벨에서 직접 구현하는 방법에 대해 상세히 설명합니다. 특히 ELF 바이너리 로딩, 스택 설정, 시스템 콜 처리, 프로세스 생성 및 교체 등 운영체제의 근본적인 동작 원리를 다룹니다.

기술적 세부사항

• 유저 프로그램 실행: ELF 포맷 바이너리를 읽어 메모리에 로딩하고 실행하는 과정을 설명합니다.
• 인자 전달: argc와 argv[]를 스택에 직접 정렬하여 유저 프로그램에 전달하는 setup_stack() 구현을 강조합니다.
• 시스템 콜 처리: write(), exit()와 같은 유저 프로그램의 요청을 커널에서 처리하는 syscall_handler()의 역할을 설명합니다.
• 자식 프로세스 생성: fork() 시스템 콜을 통해 부모 프로세스와 동일한 자식 프로세스를 생성하는 __do_fork()와 메모리 복제(duplicate_pte()) 기법을 설명합니다.
• 프로그램 재실행: exec() 시스템 콜을 통해 현재 프로세스를 새로운 코드로 교체하는 메커니즘을 다룹니다.
• 자원 보호: 유저가 전달하는 포인터의 유효성과 안전성을 검증하는 get_user(), put_user()의 중요성을 강조합니다.
• 파일 다루기: 유저 프로그램이 파일을 생성, 삭제, 열고 닫는 등의 파일 시스템 작업을 수행할 수 있도록 지원합니다.
• 파일 동기화: filesys_lock을 활용한 파일 시스템 접근 동기화 기법을 설명합니다.
• 실행 흐름: main() → run_actions() → process_create_initd() → thread_create() → kernel_thread() → initd() → process_exec() → load() + setup_stack() → do_iret() → 유저 모드 진입으로 이어지는 상세한 실행 흐름을 제공합니다.
• 메모리 주소 공간: 커널 주소(KERN_BASE)와 유저 주소 공간의 구분을 명확히 하고, 유저가 넘긴 포인터가 커널 주소를 참조할 경우 발생하는 위험성을 경고합니다.
• 레지스터 활용: 시스템 콜 번호(%rax)와 인자 전달(%rdi, %rsi, %rdx, %r10)에 사용되는 레지스터의 역할을 설명하고, intr_frame 구조체를 통한 값 접근 및 반환 방식을 제시합니다.
• 디버깅 팁: hex_dump()를 이용한 스택 시각화, msg() 사용, ls를 이용한 파일 시스템 상태 확인 등 실질적인 디버깅 및 테스트 가이드를 제공합니다.

개발 임팩트

이 콘텐츠를 통해 개발자는 운영체제의 핵심 동작 원리를 깊이 이해하고, 프로세스 관리, 메모리 관리, 시스템 콜 인터페이스 구현 등 저수준 시스템 프로그래밍 역량을 강화할 수 있습니다. 실제 운영체제 기능을 직접 구현하는 경험은 시스템 엔지니어링 및 임베디드 개발 분야에서의 문제 해결 능력을 크게 향상시킬 것입니다.

관련 저장소

• pintos: Stanford CS140 운영체제 강의에서 사용되는 교육용 운영체제 프로젝트입니다. 프로세스 생성, 스케줄링, 시스템 콜, 파일 시스템 등 본 콘텐츠와 매우 유사한 주제들을 다루며, 이를 직접 구현하는 실습 과제가 포함되어 있습니다. (relevance: 95%, description: pintos 프로젝트는 커널 개발의 기본을 배우기에 최적화되어 있으며, 프로세스 관리, 시스템 콜, 스레드 구현 등 본 콘텐츠의 핵심 내용과 직접적으로 연결됩니다.)
• xv6-riscv: MIT 6.S 운영체제 강의에서 사용되는 RISC-V 기반의 교육용 운영체제입니다. C 언어로 작성되어 있으며, 프로세스 스케줄링, 가상 메모리, 시스템 콜, 동기화 등을 포함한 운영체제의 주요 기능을 간결하게 구현하고 있습니다. (relevance: 90%, description: xv6는 운영체제 내부 구조를 이해하는 데 매우 유용하며, 특히 시스템 콜 인터페이스와 프로세스 실행 메커니즘 구현은 본 콘텐츠의 내용과 일맥상통합니다.)
• Linux Kernel Source Code: 실제 운영체제인 리눅스의 커널 소스 코드는 프로세스 관리, 메모리 관리, 시스템 콜 처리 등 운영체제 전반에 대한 방대하고 심도 있는 정보를 담고 있습니다. (relevance: 70%, description: 리눅스 커널은 본 콘텐츠에서 다루는 개념들이 실제 어떻게 구현되고 확장되는지 보여주는 가장 좋은 자료이며, execve(), fork() 등의 시스템 콜 구현을 살펴보는 데 도움이 됩니다.)