[CS] Kaist PintOS User Programs, 프로그램 구조 설명 #3

이 문서는 카이스트 핀토스 원유집 교수님의 강의를 참고하여 작성하였습니다.

이 문서는 카이스트 핀토스 프로젝트 가이드라인을 정리한 글입니다.

 

Part 2 : User Program

 

1. 핀토스(다른 운영체제가 그러하듯)는 프로세스 실행을 위해 인수를 얻고 함수를 호출한다.

run_task(char ** argv) 함수는 process_excute(argv)를 호출한다

2. 프로세스가 실행되면 어떠한 기능을 가진 스레드를 생성한다.

process_excute(const char *file_name) 함수는 thread_create(.. start_process...)를 호출한다.

3. 여기서 주목할 점은 처음 호출되는 run_task(char **argv)에서 프로세스 실행 함수를 인자로 받는 process_wait(tid_t child_tid UNUSED) 함수이다. 이 함수는 기본적으로 -1을 return 하고 해당 함수가 하는 역할을 인자로 사용되는 process_excute함수가 끝날 때까지 기다리는 것이다.

process_wait(tid_t child_tid UNUSED) 함수는 인자로 받는 함수의 실행이 종료될 때까지 기다리게 한다.

원유집 교수님의 PintOS 강의 中

현재 PintOS는 새로운 프로세스가 생성된 시점에 종료되게 설계되어있다.

이번 프로젝트의 목적은 생성된 프로세스가 종료될 때까지 커널 프로세스(init Process)가 종료되지 않고 기다리게 만드는 것이다.

 

원유집 교수님의 PintOS 강의 中

 

#1 전체적인 프로그램 구조 설명

실제 코드와 강의에서 코드가 조금 다르다.

해당 코드명은 다음과 같다.

process_execute 👉 process_create_initd

start_process 👉 initd

load 👉 process_exec ➡️ load

1. process_create_initd(const char *file_name)

tid_t
process_create_initd (const char *file_name) {
	char *fn_copy;
	tid_t tid;

	/* Make a copy of FILE_NAME.
	 * Otherwise there's a race between the caller and load(). */
	fn_copy = palloc_get_page (0);
	if (fn_copy == NULL)
		return TID_ERROR;
	strlcpy (fn_copy, file_name, PGSIZE);

	/* Create a new thread to execute FILE_NAME. */
	tid = thread_create (file_name, PRI_DEFAULT, initd, fn_copy);
	if (tid == TID_ERROR)
		palloc_free_page (fn_copy);
	return tid;
}

주석
- FILE_NAME에서 로드된 "initd"라는 첫 번째 사용자 프로그램을 시작한다.
- 새 스레드가 예약될 수 있다(종료될 수도 있음).
- 새 스레드는 process_create_initd()가 반환되기 전에 예약될 수 있다(종료될 수도 있음).
- initd의 스레드 ID를 반환하거나 스레드를 생성할 수 없는 경우 TID_ERROR를 반환한다.
- 한 번만 호출되어야 한다.

file_name은 기본적으로 실행 파일의 이름이다.

'ls'명령어 같은 것을 실행하기 위해서는, 실행 중인 프로세스에서 filename parameter를 받아야 한다.

 

위 함수를 실행하는 thread가 있을 것이고, 위 함수를 실행하는 바로 그 순간 new thread가 생성되고, 실행된다.

 

thread_create() 함수 설명

- 새로운 스레드 구조를 생성하고 초기화한다.

- 커널 스택을 할당한다.

- 실행할 기능을 등록한다.

- 여기서의 등록(Register)은 명령어 포인터 또는 명령어 카운터를 프로세스 진입점에 넣는다.

- ready list에 추가한다.

 

- 4KB의 Page 하나를 할당한다. 해당 page는 thread structure을 저장한다.

 

2. initd (void *f_name)

static void
initd (void *f_name) {
#ifdef VM
	supplemental_page_table_init (&thread_current ()->spt);
#endif

	process_init ();

	if (process_exec (f_name) < 0)
		PANIC("Fail to launch initd\n");
	NOT_REACHED ();
}

주석
- 첫 번째 유저 프로세스를 시작하는 스레드 함수

스레드가 생성되어 ready_list에 들어간 이후 initd라는 함수를 통해 프로세스를 시작한다.

initd 함수는 file_name을 인자로 받는다.

 

3. process_exec(void *f_name)

int
process_exec (void *f_name) {
	char *file_name = f_name;
	bool success;

	/* We cannot use the intr_frame in the thread structure.
	 * This is because when current thread rescheduled,
	 * it stores the execution information to the member. */
	struct intr_frame _if;
	_if.ds = _if.es = _if.ss = SEL_UDSEG;
	_if.cs = SEL_UCSEG;
	_if.eflags = FLAG_IF | FLAG_MBS;

	/* We first kill the current context */
	process_cleanup ();

	/* And then load the binary */
	success = load (file_name, &_if);

	/* If load failed, quit. */
	palloc_free_page (file_name);
	if (!success)
		return -1;

	/* Start switched process. */
	do_iret (&_if);
	NOT_REACHED ();
}

주석
- 현재 실행 컨텍스트를 f_name으로 전환한다.
- 실패 시 -1을 리턴한다.

process_exec 함수는 현재 컨텍스트를 죽인다.

이후 binary file을 load함수를 통해 불러온다.

load함수는 binarty file을 disk로부터 memory로 불러온다.

load에 성공하면 프로세스 실행을 계속한다.

또한, load에 실패하면 스레드는 종료된다.

load함수는 매우 중요한 함수이다.

load함수는 다음의 기능들을 수행한다.

(1) 디스크에서 바이너리 파일을 로드한다.

(2) 유저 스택을 초기화한다.

(3) 초기 포인터들의 집합을 설정한다.

(4) jump를 호출한다. (?)

 

해당 파일 종료 시 이를 위해 할당된 모든 메모리 덩어리를 정리해야 한다.

이를 위해 palloc_free_page를 호출한다.

 

4. load(const char *file_name, struct intr_frame *if_)

static bool
load (const char *file_name, struct intr_frame *if_) {
	struct thread *t = thread_current ();
	struct ELF ehdr;
	struct file *file = NULL;
	off_t file_ofs;
	bool success = false;
	int i;

	/* Allocate and activate page directory. */
	t->pml4 = pml4_create ();
	if (t->pml4 == NULL)
		goto done;
	process_activate (thread_current ());

	/* Open executable file. */
	file = filesys_open (file_name);
	if (file == NULL) {
		printf ("load: %s: open failed\n", file_name);
		goto done;
	}

	/* Read and verify executable header. */
	if (file_read (file, &ehdr, sizeof ehdr) != sizeof ehdr
			/* ... */
	}

	/* Read program headers. */
	file_ofs = ehdr.e_phoff;
	for (i = 0; i < ehdr.e_phnum; i++) {
		/* ... */
	}

	/* Set up stack. */
	if (!setup_stack (if_))		// initialize the user stack
		goto done;

	/* Start address. */
	if_->rip = ehdr.e_entry;		// initialize the entry point

	/* TODO: Your code goes here.
	 * TODO: Implement argument passing (see project2/argument_passing.html). */

	success = true;

done:
	/* We arrive here whether the load is successful or not. */
	file_close (file);
	return success;
}

주석
- FILE_NAME에서 현재 스레드로 ELF 실행 파일을 로드한다.
- 실행 파일의 진입점을 *RIP에 저장하고 초기 스택 포인터를 *RSP에 저장한다.
- 성공하면 true를 반환하고 그렇지 않으면 false를 반환한다.

만약 load함수가 호출되면 kernel은 주어진 thread에 page table을 생성(할당)한다.

해당 file을 open 하고 ELF header를 읽는다.

실행 파일은(a.out) ELF 포맷을 취하고 있다.

ELF header를 메모리로 읽어 들인다.

ELF header에는 해당 파일이 구성되어있는지에 대한 정보가 있다.

어디부터 어디까지가 DATA인지, 어디부터 어디까지가 BSS영역인지 등에 대한... 메모리 영역에 대한 정보

ELF header를 사용해서 load함수는 데이터 섹션을 분석하고, 'data'를 'data segment'에 불러오고 'text'를 'text segment'에 불러온다.

이후, 그 프로세스를 위한 stack을 생성하고 초기화한다.

해당 메모리에는 struct thread에 대한 데이터도 있을 것이다.

thread struct에는 페이지 테이블의 포인터가 있다.

해당 페이지 테이블에는 모든 데이터 구조에 대한 포인터가 포함되어 있다.

 

load함수는 binary file을 메모리로 읽을 뿐만 아니라, 프로세스를 작동시키기 위해서 data segment와 text segment를 초기화하는 기능을 한다.

 

OS는 load 함수를 통해 메모리 상에 file을 read 하고 stack을 초기화하고, data와 bss section을 초기화하고  또한 text memory를 초기화했다.