KR100401560B1 - 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법 - Google Patents

운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법에 관한 것으로, 특히 다수의 사용자 프로세스가 운영체제의 커널 스택을 공유하도록 해당 커널 스택을 동적으로 할당함과 동시에 해당 사용자 프로세스의 재수행을 위한 정보를 해당 커널 스택에 저장하지 않고도 재수행이 가능하도록 한 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법에 관한 것이다.
종래에는 사용자 프로세스가 운영체제 내에서 수행되기 위해서는 각 사용자 프로세스마다 커널 스택을 할당해야 함에 따라 메모리가 많이 필요했으며, 특히, 실제로 운영체제에서 사용되지 않는 사용자 프로세스에 대해서도 사용될 경우 실시간 서비스를 제공하기 위해 커널 스택을 미리 할당함에 따라 메모리가 낭비되는 요인이 되었다.
본 발명은 운영체제의 커널에서 사용하는 커널 스택을 다수의 사용자 프로세스가 공유하게 하고, 해당 사용자 프로세스의 재수행을 위한 정보를 해당 커널 스택에 저장하지 않고도 시스템 호출 서버에 의해 재수행이 가능하도록 해당 운영체제의 커널 스택을 동적으로 할당함으로써, 사용되는 커널 스택을 절약할 수 있게 됨과 동시에 프로세스 처리 속도를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법{Kernel Stack Dynamic Allocation Method In Operating System}
본 발명은 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법에 관한 것으로, 특히 다수의 사용자 프로세스가 운영체제의 커널 스택을 공유하도록 해당 커널 스택을 동적으로 할당함과 동시에 해당 사용자 프로세스의 재수행을 위한 정보를 해당 커널 스택에 저장하지 않고도 재수행이 가능하도록 한 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 통신 시스템의 운영체제(Operating System)는 다양한 기능의 소프트웨어들을 효과적으로 관리하며 수행시킬 수 있는 다양한 고급기능을 제공하고 있는데, 이러한 운영체제 내에는 디스크, 프린터, 단말기, 통신장치 등의 시스템 자원들을 실시간으로 다중 관리하는 하나의 커널(Kernel)이 존재하며, 해당 커널을 통해 각 응용 프로그램에서 생성된 사용자 프로세스에 대한 서비스를 수행한다.
여기서, 해당 사용자 프로세스는 기본적으로 텍스트(text), 데이터, 스택으로 그 구성이 대별되며, 운영체제의 서비스를 받기 위해 트랩(trap)이나 시스템 호출(system call)을 수행한다.
그리고, 해당 사용자 프로세스가 운영체제 내에서 수행되기 위해서는 커널 스택(Kernel Stack)이 필요하며, 이를 위해서는 각 사용자 프로세스마다 별도의 커널 스택을 할당해야 하는데, 이는 해당 사용자 프로세스의 수행이 커널 내에서 정지되는 경우 할당된 커널 스택에 프로세스 수행 정보를 저장하기 위함이다.
이때, 해당 운영체제 내부의 커널에 의한 메모리 맵핑(mapping)과 사용자 프로세스에 의한 메모리 맵핑은 상이하게 제어된다.
한편, 종래에는 사용자 프로세스가 운영체제의 커널 서비스를 받고자 하는 경우 즉, 해당 사용자 프로세스가 운영체제의 커널 내에서 수행되는 경우 첨부된 도면 도 1과 같이, 해당 사용자 프로세스가 트랩이나 시스템 호출을 수행하게 되면, 해당 사용자 프로세스의 수행 정보(user context)는 기할당된 커널 스택에 저장되고, 이에 따른 메모리 맵핑 즉, 주소 공간(address space)은 커널로 변경된다.
이후, 해당 운영체제의 커널에서 사용자 프로세스의 수행이 정지되는 경우해당되는 프로세스 수행 정보(kernel context)는 다른 커널 스택에 저장되고, 해당 커널에서 사용자 프로세스의 수행이 정지되지 않는 경우 해당 프로세스 수행 정보(user context)는 사용자 프로세스로 돌아가게 된다.
그리고, 수행이 정지된 사용자 프로세스가 재수행하는 경우 즉, 사용자 프로세스가 복원되는 경우 해당되는 프로세스 수행 정보(kernel context)를 커널 스택에서 판독하여 재설정한 후, 해당되는 프로세스 수행을 계속한다.
전술한 바와 같이, 종래에는 사용자 프로세스가 운영체제 내에서 수행되기 위해서는 각 사용자 프로세스마다 커널 스택을 할당해야 함에 따라 메모리가 많이 필요했으며, 특히, 실제로 운영체제에서 사용되지 않는 사용자 프로세스에 대해서도 사용될 경우 실시간 서비스를 제공하기 위해 커널 스택을 미리 할당함에 따라 메모리가 낭비되는 요인이 되었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 운영체제의 커널에서 사용하는 커널 스택을 다수의 사용자 프로세스가 공유하게 하고, 해당 사용자 프로세스의 재수행을 위한 정보를 해당 커널 스택에 저장하지 않고도 프로세스 재수행이 가능하도록 해당 운영체제의 커널 스택을 동적으로 할당함으로써, 사용되는 커널 스택을 절약함과 동시에 프로세스 처리 속도를 향상시키는데 있다.
도 1은 종래 사용자 프로세스가 운영체제의 커널 내에서 수행되는 경우의 처리 절차를 설명하기 위한 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법을 구현하기 위한 동작 순서도.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 특징은, 트랩이나 시스템 호출 수행시 사용자 프로세스의 수행 정보를 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택에 저장하는 과정과; 상기 사용자 프로세스의 수행이 운영체제의 커널에서 정지되는 경우 운영체제 내에서 시스템 호출 서버가 수행되는지를 확인하는 과정과; 시스템 호출 서버가 수행되지 않는 경우 상기 글로벌 커널 스택 포인터를 사용자 프로세스에 할당하는 과정과; 커널 스택 풀에서 새로운 커널 스택을 얻어 상기 글로벌 커널 스택 포인터에 할당해서 상기 사용자 프로세스의 수행을 실제로 정지시키는 과정과; 상기 사용자 프로세스가 운영체제의 커널에서 재수행하고자 하는 경우 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택을 커널 스택 풀에 복귀시키는 과정과; 사용자 프로세스의 커널 스택을 글로벌 커널 스택 포인터에 할당하여 다수의 사용자 프로세스가 커널 스택을 공유하게 하는 과정을 포함하는데 있다.
여기서, 상기 사용자 프로세스의 수행 정보를 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택에 저장하는 과정은, 운영체제의 최초 구동시에 사용자 프로세스의 갯수보다 작은 소정 갯수의 커널 스택을 할당하는 단계와; 할당한 커널 스택 중에서 하나의 커널 스택을 선택하여 글로벌 커널 스택 포인터에 할당하는 단계와; 상기 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택에 트랩이나 시스템 호출 수행시의 사용자 프로세스 수행 정보를 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 사용자 프로세스의 수행이 운영체제의 커널에서 정지되지 않는경우 상기 글로벌 커널 스택 포인터를 현재의 커널 스택으로 유지하여 상기 커널 스택을 재사용하게 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 운영체제 내에서 시스템 호출 서버가 수행되는지를 확인하는 과정에서, 시스템 호출 서버가 수행되는 경우 재수행시 필요한 재수행 정보를 등록하여 사용자 프로세스의 수행을 실제로 정지시키는 단계와; 상기 사용자 프로세스의 재수행을 위한 인터럽트나 함수 호출이 발생하는 경우 등록된 재수행 정보를 판독하는 단계와; 판독한 재수행 정보를 이용하여 상기 사용자 프로세스가 재수행할 수 있도록 준비 동작을 대행하는 단계와; 상기 사용자 프로세스를 실제로 재수행시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 사용자 프로세스가 운영체제의 커널 내에서 사용하는 커널 스택을 동적으로 할당하여 사용되는 커널 스택의 수를 줄이게 되는데, 이를 위해 커널 스택 풀(Kernel Stack Pool)과, 커널 스택 할당부(Kernel Stack Allocator)와, 시스템 호출 서버(System Call Server) 및 글로벌 커널 스택 포인터(Global kernel stack pointre)를 구성하게 된다.
해당 커널 스택 풀은 동적 할당을 위한 커널 스택의 집합이고, 해당 커널 스택 할당부는 커널 스택 풀에 존재하는 커널 스택을 동적으로 할당하는 기능을 수행한다.
그리고, 해당 시스템 호출 서버는 커널에서 수행이 정지된 사용자 프로세스의 재수행을 위해 필요한 정보(재수행 정보)를 시스템 호출 제어기에 등록하고, 등록된 재수행 정보를 이용하여 해당 사용자 프로세스가 재수행을 위해 커널에서 수행해야 하는 동작을 대행하며, 해당 글로벌 커널 스택 포인터는 커널 스택의 동적 할당에 따라 현재 사용 대기중인 커널 스택을 지시하는 포인터로서, 프로세스 수행 정보가 전환(Context Switch)되는 경우에도 현재 지시하는 커널 스택에 대한 포인터가 변경되지 않는다.
이와 같은 구성을 갖은 본 발명에서 운영체제의 커널 스택 동적 할당 동작을 첨부한 도면 도 2를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 운영체제의 최초 구동시에 해당 운영체제의 서비스를 받고자 하는 사용자 프로세스의 갯수보다 작은 소정 갯수의 커널 스택을 할당한 후(스텝 S21), 할당한 커널 스택 중에서 하나의 커널 스택을 글로벌 커널 스택 포인터(도 2에서 'GKSP'로 도시함)에 할당하게 된다(스텝 S22).
이때, 사용자 프로세스가 운영체제의 커널 서비스를 받기 위해 트랩이나 시스템 호출을 수행하게 되면(스텝 S23), 해당 사용자 프로세스의 수행 정보(user context)는 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택에 저장하게 된다(스텝 S24).
이후, 해당 운영체제의 커널에서 사용자 프로세스의 수행이 정지되는지를 확인하여(스텝 S25), 해당 사용자 프로세스의 수행이 정지되지 않는 경우에는 사용자 프로세스의 수행이 응용 프로그램으로 되돌아가게 되고, 이에 따라 해당 프로세스수행 정보(user context)가 사용자 프로세스로 돌아가게 되어 해당 운영체제의 글로벌 커널 스택 포인터는 현재의 커널 스택을 계속 유지한 상태(스텝 S26)에서 스텝 S23으로 귀환하여 반복 동작을 수행함으로써, 해당 커널 스택을 재사용할 수 있게 된다.
한편, 스텝 S25에서 해당 사용자 프로세스의 수행이 정지되는 경우 해당 운영체제 내에서 시스템 호출 서버가 수행되는지를 확인하여(스텝 S27), 해당 시스템 호출 서버가 수행되지 않는 경우 글로벌 커널 스택 포인터를 현재 수행이 정지된 사용자 프로세스에 할당한 후(스텝 S28), 커널 스택 풀에서 새로운 커널 스택을 얻어 글로벌 커널 스택 포인터에 할당함으로써(스텝 S29), 해당 사용자 프로세스의 수행이 실제로 정지 상태로 천이하게 된다(스텝 S30).
이후, 해당 사용자 프로세스가 운영체제의 커널에서 재수행하고자 하는 경우 해당 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택을 커널 스택 풀에 복귀시키고(스텝 S31), 재수행하고자 하는 사용자 프로세스의 커널 스택을 글로벌 커널 스택 포인터에 할당한 후(스텝 S32), 스텝 S25로 귀환하여 반복 동작을 수행함으로써, 해당 커널 스택이 재사용되고, 이로 인해 다수의 사용자 프로세스가 커널 스택을 공유하게 되어, 해당 운영체제 내에서 사용하는 커널 스택을 절약할 수 있게 된다.
그런데, 스텝 S27에서 해당 시스템 호출 서버가 수행되는 경우 해당 시스템 호출 서버는 사용자 프로세스의 재수행시 필요한 재수행 정보(입출력 동작이 필요한 경우의 입출력 정보, 함수, 타이머 관련 함수)를 생성하여 시스템 호출 제어기에 등록함으로써(스텝 S33), 해당 사용자 프로세스의 수행이 실제로 정지 상태로천이된 후(스텝 S34), 해당 프로세스 수행이 응용 프로그램으로 직접 넘어가게 된다.
이후, 수행이 정지되었던 사용자 프로세스의 재수행을 위해 하드웨어적인 인터럽트나 커널의 함수 호출(Function Call)이 발생하게 되면(스텝 S35), 해당 시스템 호출 서버는 사용자 프로세스를 재수행하기 위해 시스템 호출 제어기에 등록된 재수행 정보를 판독하고(스텝 S36), 판독한 재수행 정보를 이용하여 해당 사용자 프로세스가 운영체제의 커널에서 재수행할 수 있도록 준비 동작을 대행한 후(스텝 S37), 해당 사용자 프로세스를 실제로 재수행시키게 된다(스텝 S38).
한편, 본 발명에서 시스템 호출에 의한 사용자 프로세스의 수행이 커널에서 정지하는 경우와, 그 경우에 시스템 호출 제어기에 재수행 정보를 등록하게 되는데, 예를 들어, 입출력 시스템 호출이 해당 커널에서 재수행이 필요하여 사용자 프로세스의 수행이 정지한 경우에는 해당되는 입출력 정보(I/O Context)와 함수를 등록하게 되고, 슬립(Sleep) 시스템 호출의 경우에는 해당 사용자 프로세스가 응용 프로그램에서 바로 수행되도록 별도의 재수행 정보없이 타이머 관련 함수만을 등록하게 된다.
그리고, 해당 사용자 프로세스가 재수행하고자 하는 경우 해당 시스템 호출 서버는 시스템 호출 제어기에 등록된 재수행 정보로부터 해당되는 함수를 호출하여 재수행 준비 동작을 대행하도록 함으로써, 사용자 프로세스가 운영체제의 커널에서 수행을 정지하는 경우 해당되는 프로세스 정보를 커널 스택에 저장하지 않고도 재수행할 수 있게 되어 해당 운영체제 내에서 사용하는 커널 스택을 절약할 수 있게되는데, 이때, 호출한 함수의 수행이 종료되는 경우 실제로 사용자 프로세스를 재수행시키거나, 해당 시스템 호출 서버에 프로세스 재수행 정보를 다시 등록하고 종료하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 운영체제의 커널 스택을 재사용하여 다수의 사용자 프로세스가 동일한 커널 스택을 동적으로 할당받아 사용하도록 함으로써, 해당 커널 스택에 대한 캐시(cache) 적중율(hit rate)이 높아져 처리 속도의 향상을 가져올 수 있으며, 해당 사용자 프로세스가 재수행되는 경우 운영체제의 커널에서 커널 스택 팝(pop)을 수행하지 않고 직접 사용자 프로세스로 돌아가 처리 속도의 향상을 가져올 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 운영체제의 커널에서 사용하는 커널 스택을 다수의 사용자 프로세스가 공유하게 하고, 해당 사용자 프로세스의 재수행을 위한 정보를 해당 커널 스택에 저장하지 않고도 시스템 호출 서버에 의해 재수행이 가능하도록 해당 운영체제의 커널 스택을 동적으로 할당함으로써, 사용되는 커널 스택을 절약할 수 있게 됨과 동시에 프로세스 처리 속도를 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 트랩이나 시스템 호출 수행시 사용자 프로세스의 수행 정보를 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택에 저장하는 과정과; 상기 사용자 프로세스의 수행이 운영체제의 커널에서 정지되는 경우 운영체제 내에서 시스템 호출 서버가 수행되는지를 확인하는 과정과; 시스템 호출 서버가 수행되지 않는 경우 상기 글로벌 커널 스택 포인터를 사용자 프로세스에 할당하는 과정과; 커널 스택 풀에서 새로운 커널 스택을 얻어 상기 글로벌 커널 스택 포인터에 할당해서 상기 사용자 프로세스의 수행을 실제로 정지시키는 과정과; 상기 사용자 프로세스가 운영체제의 커널에서 재수행하고자 하는 경우 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택을 커널 스택 풀에 복귀시키는 과정과; 사용자 프로세스의 커널 스택을 글로벌 커널 스택 포인터에 할당하여 다수의 사용자 프로세스가 커널 스택을 공유하게 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 사용자 프로세스의 수행 정보를 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택에 저장하는 과정은, 운영체제의 최초 구동시에 사용자 프로세스의 갯수보다 작은 소정 갯수의 커널 스택을 할당하는 단계와; 할당한 커널 스택 중에서 하나의 커널 스택을 선택하여 글로벌 커널 스택 포인터에 할당하는 단계와; 상기 글로벌 커널 스택 포인터에 할당된 커널 스택에 트랩이나 시스템 호출 수행시의 사용자 프로세스 수행 정보를 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 사용자 프로세스의 수행이 운영체제의 커널에서 정지되지 않는 경우 상기 글로벌 커널 스택 포인터를 현재의 커널 스택으로 유지하여 상기 커널 스택을 재사용하게 하는 것을 특징으로 하는 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 운영체제 내에서 시스템 호출 서버가 수행되는지를 확인하는 과정에서, 시스템 호출 서버가 수행되는 경우 재수행시 필요한 재수행 정보를 등록하여 사용자 프로세스의 수행을 실제로 정지시키는 단계와; 상기 사용자 프로세스의 재수행을 위한 인터럽트나 함수 호출이 발생하는 경우 등록된 재수행 정보를 판독하는 단계와; 판독한 재수행 정보를 이용하여 상기 사용자 프로세스가 재수행할 수 있도록 준비 동작을 대행하는 단계와; 상기 사용자 프로세스를 실제로 재수행시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 운영체제의 커널 스택 동적 할당 방법.
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