https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2022/lec/l-overview.txt

Overview

O/S 디자인과 구현에 대한 이해를 목표함

OS의 목적이 무엇인가?

하드웨어를 추상화하여 편리하고 이식성있게 만듬
여러 어플리케이션간 하드웨어 다중화
버그 가질 수도 있는 어플리케이션을 고립시킴
보안을 위한 제어 공유
어플리케이션간 공유 허용
여러 어플 지원

OS 커널이 일반적으로 제공하는 것들

프로세스
메모리 할당
파일 , 디렉토리
접근 권한 ( 보안 )
IPC, network, time, terminals …

App과 커널 간 인터페이스는 무엇인가?

시스템 콜

  
fd = open("out", 1);
write(fd, "hello\n", 6);
pid = fork();

OS 디자인과 구현이 어렵고 흥미로운 이유?

여러 등가 교환이 있다.
- 효율 vs 추상화/이식성/범용성
- Powerful vs 간단한 인터페이스
- 유연성 vs 보안
기능 간 상호 작용
여러 곳에서 사용

Introduction to UNIX system calls

App은 시스템 콜을 통해 OS와 연결된다.
- 첫번째 과제에서 쓰게됨
xv6에서 예제를 보여주겠다.
- xv6는 간단한 UNIX 시스템과 비슷한 구조를 가지고 있다.
  - 간단하여 대부분 책에 설명이 되어있다.
- 왜 UNIX인가?
  - 오픈소스다. 문서화 잘되어있다.
  - 깔끔한 디자인과 널리 사용되고 있다.
- xv6는 RISC-V 에서 돌아간다.

Ex) copy.c : copy input to output

  
// copy.c: copy input to output.

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

int
main()
{
  char buf[64];

  while(1){
    int n = read(0, buf, sizeof(buf));
    if(n <= 0)
      break;
    write(1, buf, n);
  }

  exit(0);
}

input에서 바이트를 읽어 output에 쓴다.
read( ) , write( )는 시스템 콜이다.
- 두 함수의 첫 인자는 FD (file descriptor)이다.
  - 커널은 FD로 어떤 열린 파일에 쓸지 판단함
    - read, write는 열린 파일에만 가능하다.
    - FD는 파일/디바이스/소켓 등에 연결됨
    - UNIX 컨벤션
      - 0 : standard input
      - 1 : standard output
- Read의 두 번째 인자는 포인터이다.
  - 읽을 메모리의 위치
- 세번째 인자는 읽을 크기이다.
- 반환 값은 읽은 크기 or -1 (for error)
FD는 어디서 온 것인가?

Ex) open.c : create a file

  
// open.c: create a file, write to it.

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"
#include "kernel/fcntl.h"

int
main()
{
  int fd = open("out", O_WRONLY | O_CREATE | O_TRUNC);
  write(fd, "ooo\n", 4);

  exit(0);
}

open( )은 파일을 만들고 FD를 반환한다.
FD는 작은 숫자이다.
FD는 프로세스별 테이블에 인덱싱되어 있다. 이는 커널이 관리한다.
즉 다른 프로세스는 다른 FD name-spaces를 가진다.

open( ) 같은 시스템 콜을 부르면 무슨 일이 벌어지나요?

함수 콜로 보이지만 사실 특별한 명령이다.

하드웨어는 사용자 레지스터 값들을 저장한다.
하드웨어는 접근 권한을 높인다.
하드웨어는 예약된 entry point 로 점프한다. ( 커널 안에 있음 )
커널 안에서 C code가 돌아가는 상태가 됨.
커널은 시스템 콜의 구현을 부른다.
1. sys_open( )은 파일 시스템의 이름을 살펴본다.
2. disk 기다림
3. 커널의 자료구조 수정 ( 파일 블럭 캐시, FD table )
유저 레지스터를 복구한다.
접근 권한을 낮춘다.
프로그램의 calling point로 돌아가 재개한다.

shell

command line interface이다.
shell은 “$”를 프린트한다.
shell은 UNIX command-line Utilities를 돌리게 해준다.
- ls, ls > out, grep x < out …

Ex) fork.c : create a new process

shell은 새로운 프로세스를 사용자가 타이핑한 명령마다 만든다.
fork( ) 시스템콜이 프로세스를 만든다.
커널은 프로세스의 복제본을 만든다.
- 명령어, 데이터, 레지스터, FD, 현재 디렉토리,,,
유일하게 다른 것은 fork가 반환하는 값이다.
- pid 는 부모에게
- 0 은 자식에게
- 즉 프로세스가 복제되고 fork 시점에서 두 프로세스 모두 실행됨

Ex) exec.c : replace calling process with an executable file

$ echo a b c

shell은 어떻게 프로그램을 돌리나?
- 프로그램은 파일에 저장되어 있다.
  - 링커와 컴파일러에 의해 만들어짐
- echo라 불리는 파일이 저장되어 있음
- exec( )은 현재 프로세스를 실행 가능한 파일로 교체함
  - 기존 명령과 메모리를 버리고
  - 새로운 명령과 메모리를 file로부터 읽어옴
  - 다만 FD는 유지된다.
- exec ( filename, argument array )

Ex) forkexec.c : fork() a new process, exec() a program

  
  
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

// forkexec.c: fork then exec

int
main()
{
  int pid, status;

  pid = fork();
  if(pid == 0){
    char *argv[] = { "echo", "THIS", "IS", "ECHO", 0 };
    exec("echo", argv);
    printf("exec failed!\n");
    exit(1);
  } else {
    printf("parent waiting\n");
    wait(&status);
    printf("the child exited with status %d\n", status);
  }

  exit(0);
}

fork는 복사하고 exec은 복사된 메모리를 날린다.
- 이는 새로운 프로그램을 돌리는 방법이지만 낭비가 심하다.
- copy-on-write lab에서 해결할 것이다.

Ex) redirect.c : redirect the output of a command

$echo hello > out

shell은 위 명령에 대해 무슨 행동을 할까?
- fork , 자식의 FD 1을 바꾼다.
- exec echo
open( )은 항상 사용되지 않은 가장 낮은 FD를 사용한다.
fork와 exec의 분리는 exec 직전에 자식의 FD를 바꿀 수 있게 만들어준다.
- exec은 FD를 유지한다.
- 명령어는 단순히 FD 0과 1을 사용할 뿐, 무엇이 0과 1에 연결되었는지 상관 안 쓴다.
고로 shell은 프로그램에 대해 신경 쓸 필요 없이 I/O redirection이 가능하다.

Ex) pipe1.c : communicate through a pipe

  
// pipe1.c: communication over a pipe

#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

int
main()
{
  int fds[2];
  char buf[100];
  int n;

  // create a pipe, with two FDs in fds[0], fds[1].
  pipe(fds);
  
  write(fds[1], "this is pipe1\n", 14);
  n = read(fds[0], buf, sizeof(buf));

  write(1, buf, n);

  exit(0);
}

그렇다면 위의 redirect 명령을 어떻게 구현했을까?
- pipe( )를 이용한다.
- pipe 시스템 콜은 두개의 FD를 만든다.
  - 첫번째 - 읽기전용
  - 두번째 - 쓰기전용
- 커널은 각 파이프들을 위한 버퍼를 유지한다.

Ex) pipe2.c : communicate between processes

  
#include "kernel/types.h"
#include "user/user.h"

// pipe2.c: communication between two processes

int
main()
{
  int n, pid;
  int fds[2];
  char buf[100];
  
  // create a pipe, with two FDs in fds[0], fds[1].
  pipe(fds);

  pid = fork();
  if (pid == 0) {
    write(fds[1], "this is pipe2\n", 14);
  } else {
    n = read(fds[0], buf, sizeof(buf));
    write(1, buf, n);
  }

  exit(0);
}

  
$ ls  | grep x

pipe는 fork와 함께 이용된다.
- shell은 pipe를 만들고 fork한다.
- ls의 FD 1번을 pipe의 write로 연결한다.
- grep의 FD 0번을 pipe의 read로 바꾼다.
  - 위의 코드는 standard input, output을 바꾸지 않는 간단한 코드이다.
  - standard i/o를 바꾸면 프로그램의 수정 없이 redirect 가능하다.

XV6 OS Overview

Overview

OS의 목적이 무엇인가?

OS 커널이 일반적으로 제공하는 것들

App과 커널 간 인터페이스는 무엇인가?

OS 디자인과 구현이 어렵고 흥미로운 이유?

Introduction to UNIX system calls

Ex) copy.c : copy input to output

Ex) open.c : create a file

open( ) 같은 시스템 콜을 부르면 무슨 일이 벌어지나요?

shell

Ex) fork.c : create a new process

Ex) exec.c : replace calling process with an executable file

Ex) forkexec.c : fork() a new process, exec() a program

Ex) redirect.c : redirect the output of a command

Ex) pipe1.c : communicate through a pipe

Ex) pipe2.c : communicate between processes

Further Reading

xv6 백업

Process Description and Control 1

Process Description and Control 2