Operating Systems: Three Easy Pieces는 마지막에 실습 과제를 포함하고 있다. 예전에 책을 보기는 했지만 실습을 스킵했더니 놓치는 게 많았던 거 같아서 하나씩 진행해보려고 한다.

과제는 MIT에서 교육용으로 만든 RISC-V OS Xv6를 기반으로 진행된다.

Task

Your new system call should look have the following return codes and parameters:

int getreadcount(void)

Your system call returns the value of a counter (perhaps called readcount or something like that) which is incremented every time any process calls the read() system call. That’s it!

이번 과제는 read() 시스템콜의 호출 횟수를 반환하는 새로운 시스템콜 getreadcount()를 추가하는 것이다. 간단한 과제이지만 시스템콜이 커널에 추가되는 전체 과정을 이해할 수 있는 좋은 기회다.

시스템콜 동작 원리

코드를 작업하기 전에 시스템콜이 어떻게 동작하는지 먼저 살펴보자.

유저의 시스템 콜 호출 과정

우선 유저 프로그램 개발자는 user/user.h에 선언된 시스템콜 함수를 호출할 수 있다.

해당 프로그램을 빌드하게 되면 실제로 호출되는 코드의 내용은 user/usys.S에서 확인할 수 있다.

Xv6에서는 빌드 과정에서 user/usys.pl를 통해 동적으로 생성된다.

예를 들어 read()함수의 어셈블리 스텁은 다음과 같다.

.global read
read:
 li a7, SYS_read # "kernel/syscall.h"에 정의된 매크로로 몇 번 시스템 콜인지 나타내는 정수
 ecall           # 시스템 콜 트랩 발생 (유저 모드 -> 커널 모드)
 ret             # 호출했던 C 코드로 복귀

여기서 유저 프로그램은 a7 레지스터에 시스템 콜 번호를 저장하고, ecall 인스트럭션을 실행한다.

유저 프로그램이 ecall을 실행하면 CPU는 커널 모드로 전환하고 stvec 레지스터에 저장된 주소 uservec으로 점프한다.

(유저 프로그램을 초기화할 때 stvec 레지스터에 미리 uservec 코드 주소를 등록해놓게 된다.)

uservec에서는 유저 프로그램의 레지스터를 트랩프레임에 저장하고 커널 스택 포인터와 커널 페이지 테이블 주소를 레지스터에 등록한다.

(커널 코드를 실행하기 위한 준비)

그 후 kernel/trap.c의 usertrap()으로 넘어가서 실질적인 트랩 핸들러 코드를 실행하게 된다.

usertrap()은 여러 시스템콜을 처리하게 되는데 scause 레지스터가 8인 것을 통해 시스템 콜 호출인 것을 파악하고, syscall()함수를 호출한다.

if (r_scause() == 8) {
    ...
    syscall();
}

syscall()이 하는 역할은 단순히 유저 프로그램이 a7에 저장한 시스템 콜 번호를 확인해서 적절한 시스템 콜 코드를 실행하고 결과를 a0레지스터에 담아주는 것이다.

syscall(void)
{
  int num;
  struct proc *p = myproc();

  num = p->trapframe->a7;
  if(num > 0 && num < NELEM(syscalls) && syscalls[num]) {
    // Use num to lookup the system call function for num, call it,
    // and store its return value in p->trapframe->a0
    p->trapframe->a0 = syscalls[num]();
  } else {
    printf("%d %s: unknown sys call %d\n",
            p->pid, p->name, num);
    p->trapframe->a0 = -1;
  }
}

각 시스템콜 함수의 인자는 유저 프로그램이 a1 ~ a5 레지스터에 넣어두었던 것을 프로세스 트랩프레임을 통해 전달받아 사용하게 된다.

시스템콜 함수가 모든 작업을 다 마치면 다시 usertrap()의 마지막에서 kernel/trampoline.S의 userret을 실행하고, 여기서 다시 유저 프로세스의 레지스터를 복원하게 된다.

구현

getreadcount() 시스템콜을 추가하기 위해서는 다음과 같은 파일들을 수정해야 한다:

  • user/user.h에 유저가 사용할 수 있는 함수 정의를 작성해줘야 한다.
+ uint64 getreadcount(void);
  • user/usys.S에 getreadcount 어셈블리 스텁이 생성되도록 user/usys.pl을 수정해줘야 한다.
entry("read");
+ entry("getreadcount");
  • kernel/syscall.h에 새 시스템콜 번호를 정의해줘야 한다.
#define SYS_close  21
+ #define SYS_getreadcount 22
  • kernel/syscall.c의 syscalls 배열에 함수 포인터를 등록해줘야 한다.
[SYS_close]   sys_close,
+ [SYS_getreadcount] sys_getreadcount,
  • kernel/sysfile.c에 syscall()이 호출할 실제 getreadcount의 로직을 담고 있는 sys_getreadcount() 추가
static _Atomic uint64 read_count = 0; // Global read count for sys_getreadcount

멀티 코어 환경에서 레이스 컨디션을 방지하기 위해 _Atomic 변수로 선언하고 sys_read()의 호출마다 증가시켜준다.

그리고 sys_getreadcount()에서는 그냥 이걸 반환해주면 된다.

uint64
sys_getreadcount(void)
{
  return read_count;
}

리눅스 커널 코드에서 관련된 코드 찾아보기 (RISC-V)