# 시스템 콜 (System Call)

## 1. 개요
**시스템 콜(System Call)**은 사용자 애플리케이션이 운영체제의 커널(Kernel, OS의 핵심 기능을 수행하는 중심부)이 제공하는 서비스에 접근하기 위해 사용하는 프로그래밍 인터페이스이다.

현대 운영체제는 시스템의 안정성과 보안을 위해 CPU의 실행 권한을 **사용자 모드(User Mode)**와 **커널 모드(Kernel Mode)**로 엄격히 구분한다. 사용자 프로그램이 하드웨어 자원(디스크, 네트워크, 메모리 등)에 직접 접근하는 것은 시스템 전체의 치명적인 오류나 보안 취약점을 야기할 수 있으므로, 반드시 커널을 통해서만 자원을 요청해야 한다. 이때 사용자 프로그램이 커널에 특정 작업을 요청하는 유일한 통로가 바로 시스템 콜이다.

## 2. 동작 원리 및 메커니즘

### 2.1 모드 전환과 트랩(Trap)
사용자 프로그램이 시스템 콜을 호출하면 CPU는 **트랩(Trap)**이라 불리는 소프트웨어 인터럽트를 발생시킨다. 트랩이 발생하면 CPU는 현재 실행 중인 사용자 프로그램의 상태를 저장하고, 실행 권한을 사용자 모드에서 커널 모드로 전환하며 제어권을 운영체제로 넘긴다.

### 2.2 모드 전환(Mode Switch) 과정
트랩 발생 시 커널은 요청을 처리하기 위해 다음과 같은 모드 전환 과정을 거친다.
1. **상태 저장**: 현재 실행 중인 프로세스의 PC(Program Counter), 레지스터 값, 스택 포인터 등을 PCB(Process Control Block)에 저장한다.
2. **모드 전환**: CPU의 모드 비트(Mode Bit)를 사용자 모드(1)에서 커널 모드(0)로 변경한다.
3. **핸들러 실행**: 시스템 콜 번호를 확인하여 해당 기능을 수행할 커널 함수로 분기한다.
4. **복구 및 복귀**: 커널 작업 완료 후 저장했던 프로세스 상태를 복원하고, 다시 사용자 모드로 전환하여 프로그램의 다음 명령어를 실행한다.

### 2.3 권한 및 자원 접근 비교
| 구분 | 사용자 모드 (User Mode) | 커널 모드 (Kernel Mode) |
| :--- | :--- | :--- |
| **권한 수준** | 제한된 권한 (Low Privilege) | 모든 권한 (High Privilege) |
| **접근 가능 자원** | 할당된 메모리 영역, 사용자 라이브러리 | 모든 메모리, 하드웨어 레지스터, I/O 포트 |
| **명령어 제한** | 특권 명령(Privileged Instruction) 실행 불가 | 모든 CPU 명령어 실행 가능 |
| **오류 발생 시** | 해당 프로세스만 종료 (Segmentation Fault 등) | 시스템 전체 중단 (Kernel Panic, Blue Screen) |

## 3. 시스템 콜의 식별과 처리

### 3.1 시스템 콜 번호와 벡터 테이블
커널은 수백 개의 시스템 콜을 제공하므로, 각 콜마다 고유한 **시스템 콜 번호(System Call Number)**를 부여한다. 

1. **번호 전달**: 사용자 프로그램은 호출하고자 하는 시스템 콜의 번호를 특정 레지스터(예: x86-64의 `rax`)에 저장한다.
2. **시스템 콜 테이블(System Call Table)**: 커널 내부에는 시스템 콜 번호를 인덱스로 하고, 실제 처리 함수(Service Routine)의 주소값을 값으로 가지는 배열 형태의 **벡터 테이블**이 존재한다.
3. **분기**: 커널은 전달받은 번호를 통해 테이블에서 해당 함수의 주소를 찾아 실행한다.

### 3.2 결과 반환 (Return Value)
시스템 콜 실행이 완료되면 커널은 처리 결과를 사용자 프로그램에 반환한다.
- **성공 시**: 일반적으로 0 또는 요청한 작업의 결과값(예: 읽어온 바이트 수)을 반환한다.
- **실패 시**: -1과 같은 에러 코드를 반환하며, 구체적인 오류 원인은 전역 변수인 `errno`에 설정되어 프로그램이 예외 처리를 할 수 있도록 돕는다.

## 4. 주요 시스템 콜 분류

| 분류 | 설명 | 대표적인 예시 (POSIX/Linux) |
| :--- | :--- | :--- |
| **프로세스 제어** | 프로세스 생성, 종료, 실행 및 상태 관리 | `fork()` (복제), `exec()` (교체), `exit()` (종료), `wait()` (대기) |
| **파일 조작** | 파일 생성, 읽기, 쓰기, 닫기 및 권한 설정 | `open()`, `read()`, `write()`, `close()`, `lseek()` |
| **장치 관리** | 하드웨어 장치 요청, 해제 및 입출력 제어 | `ioctl()`, `read()`, `write()` |
| **정보 유지** | 시스템 시간, 프로세스 정보, 시스템 설정 조회 | `getpid()`, `time()`, `alarm()` |
| **통신** | 프로세스 간 통신(IPC) 및 네트워크 연결 | `pipe()`, `socket()`, `send()`, `recv()` |

## 5. 시스템 콜의 실행 흐름

### 5.1 실행 흐름도 (Diagram)
`사용자 프로그램` $\rightarrow$ `표준 라이브러리(API)` $\rightarrow$ `트랩 발생(Trap)` $\rightarrow$ `커널 모드 진입` $\rightarrow$ `시스템 콜 테이블 참조` $\rightarrow$ `커널 서비스 루틴 실행` $\rightarrow$ `결과 반환` $\rightarrow$ `사용자 모드 복귀` $\rightarrow$ `사용자 프로그램`

### 5.2 파일 쓰기 과정의 단계별 흐름
사용자가 텍스트 파일에 데이터를 저장할 때의 흐름은 다음과 같다.
1. **Application**: `fwrite()` 또는 `printf()` 함수 호출.
2. **Standard Library**: 라이브러리가 내부 버퍼에 데이터를 쌓은 후, 적절한 시점에 `write()` 시스템 콜을 호출.
3. **Trap 발생**: CPU가 트랩을 발생시켜 커널 모드로 진입.
4. **Kernel**: 시스템 콜 테이블에서 `write` 함수 주소를 찾아 실행 $\rightarrow$ 파일 시스템 및 디스크 드라이버를 통해 하드웨어에 데이터 기록.
5. **Return**: 작업 완료 후 다시 사용자 모드로 복귀하여 프로그램 계속 실행.

### 5.3 추상화 과정 예시 코드 (C언어)
개발자는 보통 시스템 콜을 직접 호출하지 않고 표준 라이브러리(libc 등)를 사용한다.

```c
#include <stdio.h>
#include <unistd.h> // 시스템 콜 래퍼 함수들이 정의된 헤더

int main() {
    // 1. 표준 라이브러리 함수 호출 (추상화 계층)
    // printf는 내부적으로 버퍼링을 수행하며 최종적으로 write() 시스템 콜을 호출함
    printf("Hello, System Call!\n");

    // 2. 시스템 콜 직접 호출 (Low-level)
    // write()는 unistd.h에 정의된 시스템 콜 래퍼 함수임
    // 첫 번째 인자 1은 STDOUT_FILENO(표준 출력)를 의미함
    write(1, "Direct System Call\n", 19);

    return 0;
}
```

## 6. API와 시스템 콜의 차이

### 6.1 래퍼 함수(Wrapper Function)
대부분의 개발자는 `POSIX` (Linux/Unix)나 `Win32 API` (Windows)와 같은 **API(Application Programming Interface)**를 사용한다. API는 시스템 콜을 한 번 더 감싼 **래퍼 함수(Wrapper Function)** 형태로 제공된다.

### 6.2 API 사용 이유 (효율성과 이식성)
- **이식성(Portability)**: OS마다 시스템 콜 번호와 호출 방식이 다르다. API를 사용하면 개발자는 동일한 함수(`printf`)를 사용하고, 컴파일러와 라이브러리가 해당 OS에 맞는 시스템 콜로 변환해주므로 코드 수정 없이 다른 OS로 이식하기 쉽다.
- **편의성 및 효율성**: 시스템 콜은 모드 전환 비용(Overhead)이 크다. 표준 라이브러리는 버퍼링(Buffering) 기법을 사용하여 여러 번의 작은 쓰기 요청을 하나의 큰 시스템 콜로 묶어 처리함으로써 성능을 최적화한다.

### 6.3 OS별 시스템 콜 비교
| 비교 항목 | Linux (POSIX 기반) | Windows (Win32 API 기반) |
| :--- | :--- | :--- |
| **인터페이스** | 주로 POSIX 표준을 따름 | Win32 API / NT API 사용 |
| **호출 방식** | `int 0x80` 또는 `syscall` 명령어 | `sysenter` 또는 `syscall` 명령어 |
| **특징** | 시스템 콜이 공개되어 있으며 비교적 단순함 | API 계층이 매우 두껍고 내부 시스템 콜은 비공개(Undocumented)인 경우가 많음 |
| **파일 처리** | 모든 것을 파일로 취급 (`open`, `read`) | 핸들(Handle) 개념을 사용하여 객체 지향적으로 관리 |