PINTOS - Argument Passing / Introduction

JinJinJara·2023년 10월 3일

PINTOS

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Introduction

Using the File System

주의사항

file sys 코드 수정하지 않기를 권장
내부 동기화 하지 말기
파일 사이즈는 파일 생성될 때 고정
파일 데이터는 single extent 로 할당
파일 이름은 14자로 제한
연산 중에 (디스크에 읽고 쓰는 중에) 시스템 crash가 발생하면 자동으로 복구 되지 못하는 방식으로 디스크를 망쳐버릴 수 있다. (파일 시스템 복구 툴 없음)

Pintos 가상 머신과 파일

파일 넣기

userprog/build 에 있는 pintos-mkdisk filesys.dsk 2 실행
- 2MB 크기의 pintos 파일 시스템 파티션 하나를 포함하는 filesys.dsk라는 모의 디스크(simulated disk) 생성
- 파일 시스템 파티션: 물리적인 디스크를 논리적인 저장영역으로 구분한것
pintos --fs-disk filesys.dsk : 어떤 disk 인지 지정
pintos SCRIPT_COMMANDS -- -f -q : 파일 시스템 파티션 포맷팅

파일 저장/가져오기

-p(put, 저장)와 -g(get, 가져오기) 옵션
복사 : 원본 파일 뒤에 :파일명 추가

예시 (테스트 케이스 빌드 후고, 현재 디렉토리가 userprog/build라고 가정 하에 쓰인 코드)

pintos-mkdisk filesys.dsk 10 
pintos --fs-disk filesys.dsk -p tests/userprog/args-single:args-single -- -q -f run 'args-single onearg'

파일 시스템 파티션으로 어떻게 디스크를 생성하고,
파일 시스템의 형식을 만들고,
args-single 이라는 이름의 프로그램(Project2 의 2번 test)를 어떻게 새 디스크에 만들고,
onearg 라는 인자를 전달해서 실행하는지에 대한 요약 코드
(인자를 구현하는 부분을 구현해야 인자 전달이 가능함)

pintos --fs-disk=10 -p tests/userprog/args-single:args-single -- -q -f run 'args-single onearg'

만약 파일 시스템 디스크가 당장 필요 없다면, 이 네 단계를 하나의 커맨드로 합칠 수 있음
- --filesys-size=n 옵션 : pintos 실행 동안 대략 nMB 의 임시 파일 시스템 파티션 생성
  (pinto의 자동 시스템 suite은 이 구문을 아주 다양하게 사용함)

How User Programs Work

x86-64 ELF 실행파일들을 만들어내는 임의의 컴파일러와 링커를 사용해 Pintos를 위한 프로그램을 만들기 (컴파일러와 링커은 제공)
복사해서 덮어쓸 수 있는 클린한 레퍼런스 파일 시스템 디스크를 만들어놓기
- 테스트 프로그램을 simulated 파일 시스템에 복사할 때까지 pintos가 유용한 작업을 할 수 없음
- 간혹 디버깅을 하다보면 filesys.dsk가 사용불가능한 상태가 되는 경우 대비

Virtual Memory Layout

USER_STACK +----------------------------------+
           |             user stack           |
           |                 |                |
           |                 |                |
           |                 V                |
           |           grows downward         |
           |                                  |
           |                                  |
           |           grows upward           |
           |                 ^                |
           |                 | HEAP           |
           |                 |                |
           +----------------------------------+
           | uninitialized data segment (BSS) |
           +----------------------------------+
           |     initialized data segment     |
           +----------------------------------+
           |            code segment          |
 0x400000  +----------------------------------+ KERN_BASE
           |                                  |
           |                                  |
           |                                  |
           |                                  |
       0   +----------------------------------+

유저 스택의 크기 : Project 2에서는 고정 (3에서 가변적)
데이터 세그먼트의 사이즈 : 시스템 콜에 의해 조정 (구현X)
코드 세그먼트 : 가상 메모리 0x400000에서 시작하고, 대략 주소 공간의 바닥에서 128MB만큼 떨어져 있음 (의미 없는 일반적인 값)

+ 한 실행파일의 레이아웃을 보기 위해서는 -p 옵션과 함께 objdump 명령어 실행

Accessing User Memory

커널(시스템 콜)은 유저 프로그램이 제공한 포인터들을 통해 메모리에 자주 접근함
- 주로 시스템 콜(System Call)을 호출할 때 포인터를 인자로 전달
유저가 잘못된 포인터를 커널에 전달할 수 있음
- null 포인터, 매핑되지 않은 가상 메모리를 가리키는 포인터,
  커널 가상 메모리 공간(KERN_BASE 위에 있는 공간)을 가리키는 포인터
잘못된 포인터들은 커널과 다른 running 프로세스들에게 악영향을 미치지 않고 거부되어져야 하므로,
문제가 되는 프로세스를 종료 시키고 그 프로세스의 자원들을 해제 해야 합니다.

유저가 전달한 잘못된 포인터에 대한 대응

유저가 전달한 포인터에 문제가 없는지 검사한 후에 역참조
- thread/mmu.c 와 include/threads/vaddr.h에 있는 함수 보기 ( 유저 메모리 접근을 가장 쉽게 처리 가능)

유저가 전달한 포인터가 KERN_BASE보다 아래 부분을 가리키고 있는지 검사한 후에 역참조
- page_fault() 발생시키기

static int64_t
get_user (const uint8_t *uaddr) {
   int64_t result;
   __asm __volatile (
   "movabsq $done_get, %0\n"
   "movzbq %1, %0\n"
   "done_get:\n"
   : "=&a" (result) : "m" (*uaddr));
   return result;
}
/* Writes BYTE to user address UDST.
  UDST must be below KERN_BASE.
  Returns true if successful, false if a segfault occurred.
*/ 
static bool
put_user (uint8_t *udst, uint8_t byte) {
   int64_t error_code;
   __asm __volatile (
   "movabsq $done_put, %0\n"
   "movb %b2, %1\n"
   "done_put:\n"
   : "=&a" (error_code), "=m" (*udst) : "q" (byte));
   return error_code != -1;
}

유저 주소가 KERN_BASE 아래에 존재한다는 게 검증되었다고 가정
page_fault() 를 수정했고, 그 결과로 커널의 page fault는 단지 rax를 -1로 설정하고, 이의 이전 값을 %rip로 복사한다고 가정

Argument Passing

x86-64 Calling Convention

(x86-64 시스템에서의 호출 규약)

" process_exec() 함수에 있는 “유저 프로그램”을 위한 인자를 세팅하기 "

유저-레벨 어플리케이션은 %rdi, %rsi, %rdx, %rcx, %r8, %r9 시퀀스들을 전달하기 위해 정수 레지스터를 사용
(7개 이상은 Stack에 쌓임)

2-1. 호출자는 다음 인스트럭션의 주소(리턴 어드레스)를 스택에 푸시
2-2. 피호출자의 첫번째 인스트럭션으로 점프 ( CALL (x86-64 인스트럭션) :두 가지를 모두 수행)

피호출자가 실행

만약 피호출자가 리턴 값을 가지고 있다면, 리턴 값은 레지스터 RAX에 저장

피호출자는 x86-64 인스트럭션인 RET (리턴)를 사용해서, 스택에 받았던 리턴 어드레스를 pop하고 그 주소가 가리키는 곳으로 점프함으로써 리턴

예시 코드

int myFunction(int a, int b, int c) {
    // a, b, c를 사용		// 2-2. 피호출자의 첫번째 인스트럭션으로 점프 -> 3. 실행
    return 0				// 4. RAX 에 return 값 저장
}							// 5. RET(리턴)를 사용해, Stack에 받았던 리턴 어드레스를 pop
							// 그 주소가 가리키는 곳으로 점프함으로써 리턴
int main() {
    int x = 1, y = 2, z = 3;
    myFunction(x, y, z);	// 1. x, y, z 값이 %rdi, %rsi, %rdx 레지스터에 전달
    yourFunction();			// 2-1. 다음 인스트럭션의 주소를 Stack에 push
    return 0;
}
ㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡ
3. 피호출자가 실행
                             +----------------+
stack pointer --> 0x4747fe70 | return address |
                             +----------------+
RDI: 0x0000000000000001 | RSI: 0x0000000000000002 | RDX: 0x0000000000000003

Program Startup Details

void
_start (int argc, char *argv[]) {
    exit (main (argc, argv));
}

_start() 함수를 유저 프로그램의 시작 포인트로 지정
main() 은 리턴되면서 exit()을 호출

커널은 유저 프로그램이 실행되는 것을 허가하기 전에,
레지스터에 올라가 있는 초기 함수 를 위한 인자 를 반드시 넣어줘야 한다.

인자를 다루는 방법

ex. /bin/ls -l foo bar 명령이 주어짐

int main(int argc, char *argv[])

명령을 단어들로 쪼개기 : /bin/ls, l, foo, bar

단어들을 스택의 맨 처음 부분에 놓기 ( 포인터에 의해 참조될 것이므로 순서 상관 X )

각 문자열의 주소 + 경계조건을 위한 널포인터 를 Stack에 오른쪽→왼쪽 순서로 push

이들은 argv의 원소가 된다.

널포인터 경계 : argv[argc] 가 널포인터라는 것을 보장함 (C언어 표준의 요구사항)

argv[0]이 가장 낮은 가상 주소를 가짐

성능을 위해 Stack에 첫 push가 발생하기 전에 스택포인터를 8의 배수로 반올림하기
( word 크기에 정렬된 접근이 정렬되지 않은 접근보다 빠르기 때문 )

%rsi 가 argv 주소(argv[0] 주소)를 가리키게 하고, %rdi 를 argc 로 설정

마지막으로 가짜 “리턴 어드레스”를 푸시합니다 : entry 함수는 절대 리턴되지 않겠지만, 해당 스택 프레임은 다른 스택 프레임들과 같은 구조를 가져야 합니다.