[CS230] 4. 링킹과 예외 제어 흐름 - Linking & ECF

KAIST CS230 시스템프로그래밍 (2022 Fall) 수업 내용을 정리한 시리즈입니다. 교재: Computer Systems: A Programmer’s Perspective (CS:APP 3rd Edition)

1. 링킹 (Linking)

컴파일 과정

main.c ──→ [cpp, cc1, as] ──→ main.o ─┐
                                        ├──→ [Linker (ld)] ──→ prog (실행파일)
sum.c  ──→ [cpp, cc1, as] ──→ sum.o  ─┘

• Preprocessor (cpp): #include, #define 처리
• Compiler (cc1): C → Assembly
• Assembler (as): Assembly → Relocatable Object File (.o)
• Linker (ld): 여러 .o 파일을 합쳐 Executable Object File 생성

링커가 하는 일

Step 1: Symbol Resolution (심볼 해석)

• 프로그램은 심볼(함수명, 전역 변수명)을 정의하고 참조한다
• 각 .o 파일에는 심볼 테이블(symbol table)이 있다
• 링커는 모든 심볼 참조를 정확히 하나의 심볼 정의에 연결한다

Step 2: Relocation (재배치)

• 각 .o 파일의 코드/데이터 섹션을 하나로 합침
• 심볼들의 상대 위치를 최종 절대 주소로 변환
• 모든 참조를 새 주소로 갱신

Object File의 종류

ELF (Executable and Linkable Format)

Linux의 표준 object file 형식:

심볼의 종류

• Global symbols: 다른 모듈에서 참조 가능 (non-static 함수, 전역 변수)
• External symbols: 다른 모듈에서 정의된 global symbol 참조
• Local symbols: 해당 모듈에서만 접근 가능 (static 함수/변수)

주의: 여기서 “local"은 지역 변수가 아니라 파일 스코프의 static 심볼이다.

라이브러리

Static Library (.a):

• 링킹 시점에 실행 파일에 복사됨
• 실행 파일 크기가 커지지만 의존성 없음

Shared Library (.so, .dll):

• 런타임에 동적으로 로드
• 여러 프로세스가 메모리에서 공유 가능
• 실행 파일 크기 작음, 라이브러리 업데이트 용이

2. 예외 제어 흐름 (ECF)

Control Flow

프로세서는 명령어를 순차적으로 실행한다:

a₁ → a₂ → a₃ → ... → aₙ

이 순차적 흐름을 control flow라 하며, jump, call, return 등으로 변경된다.

하지만 시스템 수준에서는 더 복잡한 제어 흐름 변경이 필요하다:

• 디스크에서 데이터 도착
• 타이머 인터럽트
• 자식 프로세스 종료

→ 이를 처리하기 위한 메커니즘이 ECF (Exceptional Control Flow)

ECF의 계층

3. Exceptions

Exception은 프로세서 상태 변화에 대한 응답으로 OS 커널에 control을 넘기는 것이다.

User code 실행 중
    ↓ (event 발생)
Exception handler 실행 (kernel mode)
    ↓ (처리 후)
1) 원래 명령어로 복귀 / 2) 다음 명령어로 복귀 / 3) 프로그램 종료

각 exception에는 고유 번호가 있고, exception table에서 해당 handler의 주소를 찾는다.

Exception의 4가지 종류

1. Interrupt (비동기)

외부 I/O 장치에 의해 발생하는 asynchronous exception:

• 타이머 칩, 키보드, 네트워크 등 외부 장치가 CPU interrupt pin에 신호
• 현재 instruction 완료 후 handler로 이동
• 처리 후 다음 명령어로 복귀
• 예: 타이머 인터럽트, I/O 인터럽트

2. Trap (동기)

의도적으로 발생시키는 synchronous exception:

• syscall 등의 instruction으로 발생
• 시스템 콜(system call)이 대표적
• 처리 후 다음 명령어로 복귀

3. Fault (동기, 복구 가능)

잠재적으로 복구 가능한 에러:

• exception handler가 문제를 고치면 → 현재 명령어 재실행
• 복구 불가능하면 → 프로그램 종료
• 예: Page fault (가장 흔함), Floating point exception

4. Abort (동기, 복구 불가)

복구 불가능한 치명적 에러:

• 현재 프로그램을 종료
• 예: Illegal instruction, Machine check (하드웨어 오류)

4. 프로세스 (Process)

Process = 실행 중인 프로그램의 인스턴스

두 가지 핵심 추상화

1. Logical Control Flow: 각 프로세스가 CPU를 독점하는 것처럼 보임 → context switch로 구현
2. Private Address Space: 각 프로세스가 메모리를 독점하는 것처럼 보임 → virtual memory로 구현

Concurrent Processes

여러 프로세스의 control flow가 시간적으로 겹치면 concurrent하다고 한다.

System Call

프로세스가 커널 서비스를 요청하는 인터페이스:

// C에서는 wrapper function 사용 (실제로는 syscall instruction 실행)
pid_t getpid(void);       // 현재 프로세스 ID
pid_t fork(void);          // 새 프로세스 생성
void exit(int status);     // 프로세스 종료
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statusp, int options);  // 자식 대기

fork()

pid_t pid = fork();

• 호출한 프로세스(parent)를 복제하여 새 프로세스(child) 생성
• 한 번 호출, 두 번 반환:
  • Parent에게: child의 PID 반환
  • Child에게: 0 반환
• Child는 parent의 메모리 복사본을 가짐 (별도 address space)
• 실행 순서는 OS 스케줄러가 결정 (비결정적)

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("child\n");   // child process
    } else {
        printf("parent\n");  // parent process
    }
}

waitpid / wait

pid_t waitpid(pid_t pid, int *statusp, int options);

• 특정 자식 프로세스의 종료를 기다린다
• pid = -1: 아무 자식이나 대기
• 자식의 종료 상태를 statusp로 받을 수 있다
• 옵션: WNOHANG (non-blocking), WUNTRACED (stopped도 감지)

Zombie 프로세스: 종료했지만 parent가 아직 wait()하지 않은 프로세스. 커널이 exit status를 유지한다.

exec

int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

• 현재 프로세스의 코드/데이터를 새 프로그램으로 교체
• fork() + exec()로 새 프로그램 실행하는 것이 일반적 패턴

5. 시그널 (Signals)

개요

Signal은 OS 커널이 프로세스에게 이벤트 발생을 알리는 메커니즘이다.

Signal 전달 과정

1. Send: 커널이 대상 프로세스의 context에 signal bit를 설정
2. Receive: 대상 프로세스가 커널에서 user mode로 전환될 때 signal 확인

Signal의 상태:

• Pending: 보내졌지만 아직 받지 않은 상태
• Blocked: 받을 수 있지만 일시적으로 차단된 상태

같은 종류의 pending signal은 최대 1개만 유지된다 (큐잉되지 않음!)

Signal Handler

기본 동작 대신 사용자 정의 handler를 설치할 수 있다:

#include <signal.h>

void handler(int sig) {
    // signal 처리 코드
    printf("Caught signal %d\n", sig);
}

int main() {
    signal(SIGINT, handler);   // SIGINT에 대한 handler 설치
    // ...
}

Signal Block

특정 signal을 일시적으로 차단:

sigset_t mask, prev_mask;
sigemptyset(&mask);
sigaddset(&mask, SIGCHLD);

// SIGCHLD를 block
sigprocmask(SIG_BLOCK, &mask, &prev_mask);

// 여기서는 SIGCHLD가 전달되지 않음 (critical section)

// 이전 상태로 복원
sigprocmask(SIG_SETMASK, &prev_mask, NULL);

Signal 처리 시 주의사항

1. Pending signal은 큐잉되지 않는다: 같은 signal이 여러 번 와도 1개만 유지
2. Signal handler는 가능한 간단하게: async-signal-safe 함수만 사용
3. errno 보존: handler에서 errno를 변경할 수 있으므로 진입 시 저장, 복귀 시 복원
4. 전역 데이터 접근: volatile sig_atomic_t 타입 사용
5. Slow system call: signal에 의해 중단될 수 있음 → 재시도 로직 필요

kill과 alarm

kill(pid, SIGKILL);     // 특정 프로세스에 signal 전송
alarm(5);               // 5초 후 자신에게 SIGALRM 전달

6. Foreground / Background 프로세스

Shell에서의 프로세스 관리:

./program &      # background에서 실행

• Foreground: 터미널 입력을 받는 프로세스 (한 번에 최대 1개)
• Background: 터미널 입력 없이 실행되는 프로세스

관련 signal:

• Ctrl+C → foreground 프로세스 그룹에 SIGINT 전송
• Ctrl+Z → foreground 프로세스 그룹에 SIGTSTP 전송 (정지)

정리

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