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系統(tǒng)調(diào)用就是調(diào)用操作系統(tǒng)提供的一系列內(nèi)核功能函數(shù)，因?yàn)閮?nèi)核總是對(duì)用戶程序持不信任的態(tài)度，一些核心功能不能交由用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行。用戶程序只能發(fā)出請(qǐng)求，然后內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)來(lái)幫著處理，將結(jié)果返回給應(yīng)用程序。如此才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，關(guān)于系統(tǒng)調(diào)用的這些理論知識(shí)不多說(shuō)，書本上有一大堆，本文旨在捋清楚系統(tǒng)調(diào)用這條線。

總述

Linux 里系統(tǒng)調(diào)用是由中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的，既然利用中斷實(shí)現(xiàn)，那么總體來(lái)說(shuō)系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程應(yīng)該與中斷的過(guò)程相似。也的確如此，總體流程是差不多，但也有所區(qū)別。

每一種中斷都會(huì)有一個(gè)中斷向量號(hào)或中斷類型號(hào)，有相應(yīng)的中斷服務(wù)程序也就是處理中斷的函數(shù)。但是我們應(yīng)該知道，系統(tǒng)調(diào)用是有很多的，比如 fork，read，write 等等。雖然中斷向量號(hào)有空缺多余的，但系統(tǒng)調(diào)用數(shù)目更多，到2.6.23版的 Linux，就已經(jīng)有325個(gè)，而中斷向量號(hào)只有 256 個(gè)，明顯為每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用單獨(dú)分配一個(gè)中斷向量號(hào)不現(xiàn)實(shí)。

那怎么解決呢，采用的辦法是直接為所有的系統(tǒng)調(diào)用分配一個(gè)中斷類型號(hào)，一般是 0x80，再用系統(tǒng)調(diào)用號(hào)來(lái)區(qū)分各個(gè)不同的系統(tǒng)調(diào)用。

所以我們的系統(tǒng)調(diào)用大致流程變?yōu)楦鶕?jù)中斷向量號(hào)去IDT中索引相應(yīng)的中斷門描述符，得到選擇子和偏移量，根據(jù)選擇子去GDT中索引相應(yīng)的段描述符得到段基址，與上面得到的偏移量相加得到中斷服務(wù)程序的地址。中斷處理程序根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)再調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)做具體的處理，最后返回。

上述為系統(tǒng)調(diào)用的大致過(guò)程，下面我們一步步地來(lái)具體看看系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程，或者說(shuō)系統(tǒng)調(diào)用是如何實(shí)現(xiàn)的。

1. 用戶接口

我們平常編寫程序調(diào)用的是操作系統(tǒng)或者說(shuō) C 庫(kù)提供的用戶接口，也就是常說(shuō)的 API，而并不是直接使用系統(tǒng)調(diào)用來(lái)編程，用戶接口可以看作實(shí)際的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的封裝。

這里要注意我們平常所說(shuō)的 API 和系統(tǒng)調(diào)用之間并沒有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一個(gè) API 可以對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，也可以對(duì)應(yīng)多個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，甚至不依賴任何系統(tǒng)調(diào)用，更甚多個(gè)API對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。所以 API 就只是一個(gè)接口，具體使用哪些系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)什么功能，從理論上來(lái)講只要邏輯沒問題隨便怎么定義怎么實(shí)現(xiàn)都可以，但是為了可移植兼容的考慮，還是必須得遵循一定的規(guī)則，大多操作系統(tǒng) API 都是遵循POSIX標(biāo)準(zhǔn)的。

上述說(shuō)過(guò)系統(tǒng)調(diào)用的用戶接口可以看作是系統(tǒng)調(diào)用的封裝，咱們以 getpid 來(lái)舉例具體看看：

int getpid(){ 
    return _syscall0(SYS_getpid); 
} 

2. 系統(tǒng)調(diào)用接口

系統(tǒng)調(diào)用接口指的就是上面那個(gè) _syscall 函數(shù)，早期的 Linux 里面的 _syscall是用宏來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一共有 7 個(gè)，后面跟不同的數(shù)字來(lái)區(qū)分，如_syscall0，_syscall1，分別支持0—6個(gè)參數(shù)。咱們?cè)谶@兒也不搬出具體代碼解釋說(shuō)明，有興趣的朋友可以自己去看看，這7個(gè)宏的實(shí)現(xiàn)原理都一樣，主要做了以下三件事：

1. 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)傳給 eax 寄存器
2. 傳入?yún)?shù)
3. int 80h

傳參，如果參數(shù)少，直接存到寄存器里即可，采用寄存器傳參方便而且速度快。在下x86的系統(tǒng)上，前5個(gè)參數(shù)按順序存放在ebx, ecx,edx, esi,edi 5 個(gè)寄存中。而如果參數(shù)過(guò)多，會(huì)使用一個(gè)單獨(dú)的寄存器存放所有參數(shù)在用戶空間的地址，陷入內(nèi)核后再將參數(shù)從用戶空間拷貝到內(nèi)核。

系統(tǒng)調(diào)用號(hào)和最后的返回值都存在 eax 寄存器中，約定俗成的東西。

接著就是 int n 指令，int n 就相當(dāng)于發(fā)生了一個(gè)n號(hào)中斷，屬于軟中斷，雖然引發(fā)中斷的方式不同，但對(duì)中斷的處理基本是一樣的，中斷這一塊前文講述的應(yīng)該很清楚了，這里不再贅述只是簡(jiǎn)單說(shuō)明一下：

1. 有特權(quán)級(jí)變化的話壓入 ss 和 esp，因?yàn)槭窍到y(tǒng)調(diào)用，特權(quán)級(jí)是肯定發(fā)生了變化的
2. 壓入 eflags，cs，eip 寄存器
3. 根據(jù)中斷類型號(hào)索引 IDT 中的中斷門描述符，取出里面的內(nèi)容修改 cs，eip 寄存器的值;根據(jù) cs 里面的選擇子又去 GDT 中索引段描述符，獲取段基址。再根據(jù) eip 中的偏移量找到系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序。

這里對(duì)于用戶態(tài)的 ss和 esp 寄存器值保存作為題外話補(bǔ)充說(shuō)明一下。不知大家有沒有想過(guò)這個(gè)問題，用戶態(tài)下的 ss 和 esp 怎么保存到內(nèi)核棧里面去的，切換到內(nèi)核棧需要改變 ss 和 esp，那原 ss 和esp不就丟掉了嗎?所以處理器會(huì)臨時(shí)保存 ss 和 esp 的值，切換到內(nèi)核態(tài)時(shí)再重新拷貝一份用戶態(tài)的 ss 和 esp 的值。之后再壓入 eflags，cs，eip 寄存器，當(dāng)然如果特權(quán)級(jí)沒有發(fā)生變化，也就不會(huì)有上述過(guò)程。

這一塊兒在我寫的中斷文章里面忘記說(shuō)了，在此補(bǔ)上，這些所有有關(guān)處理器的規(guī)則約定功能都由指令集體系結(jié)構(gòu)ISA所管，它規(guī)定了我們需要做什么，提供什么，然后它就自動(dòng)完成一些事情。就像調(diào)用 API 編程一樣，我們提供合理的參數(shù)，然后相應(yīng)的函數(shù)自動(dòng)完成一些工作。對(duì)于CPU而言同樣的道理，只是更偏向于底層具體的物理實(shí)現(xiàn)，但從邏輯上來(lái)講是相通的。

3. 系統(tǒng)調(diào)用號(hào)

每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都有自己的專屬號(hào)碼，其實(shí)就是個(gè)索引號(hào)，如下面所示：

#define __NR_eixt   1 
#define __NR_fork   2 
#define __NR_read   3 
/*...................*/ 

4. 系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程

系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程才是具體干事的內(nèi)核功能函數(shù)，前面的那些用戶接口，系統(tǒng)調(diào)用接口，中斷服務(wù)程序都不是具體干事的，全都相當(dāng)于接口一類，而這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程才是具體做事的一個(gè)函數(shù)，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，用 getpid 這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)說(shuō)明：

int sys_getpid(void){ 
 return current->pid   //current指向當(dāng)前進(jìn)程 
} 

5. 系統(tǒng)調(diào)用表

每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都對(duì)應(yīng)著一個(gè)服務(wù)例程，將它們的首地址集中起來(lái)放在一個(gè)數(shù)組里方便使用系統(tǒng)調(diào)用號(hào)來(lái)索引，這個(gè)表(數(shù)組一個(gè)意思)在Linux里面是 sys_call_table，就像這樣：

ENTRY(sys_call_table) 
    .long sys_restart_syscall 
    .long sys_exit 
    .long sys_fork 

6. 系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序

這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序就是中斷服務(wù)程序，以前的哪些外設(shè)引發(fā)的中斷相應(yīng)的服務(wù)程序會(huì)處理實(shí)際的事務(wù)，而系統(tǒng)調(diào)用前面說(shuō)過(guò)不太一樣，它交給系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程來(lái)處理的，下面來(lái)仔細(xì)看看：

system_call: 
    SAVE_ALL      #保存上下文 
    push arg      #壓入?yún)?shù) 
     
    call *sys_call_table(,%eax,4)   #根據(jù)eax里面的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)調(diào)用相應(yīng)服務(wù)例程 
     
    mov %eax, 24(%esp)  #將服務(wù)例程的返回值保存到上下文中的eax處 
   
syscall_exit: 
    #返回退出 

系統(tǒng)調(diào)用利用中斷實(shí)現(xiàn)，所以處理中斷要先保存上下文，因?yàn)橄到y(tǒng)調(diào)用不具體處理事務(wù)而是調(diào)用其他函數(shù)來(lái)處理，所以壓入?yún)?shù)然后調(diào)用函數(shù)。這是調(diào)用函數(shù)前的一慣做法：先壓入?yún)?shù)再調(diào)用。參數(shù)從何而來(lái)?還記得前面把參數(shù)放在寄存器里面吧，所以這兒push arg就是壓入寄存器，就不具體寫了，知道就好。

系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程的運(yùn)行結(jié)果是要傳回到用戶態(tài)的，eax 里面存放的返回值，所以當(dāng)服務(wù)例程運(yùn)行完后，只要將當(dāng)前寄存器 eax 里面的值保存到上下文里面的 eax 處即可。在Linux2.6 里面棧頂向上 24 個(gè)字節(jié)處就是用戶態(tài)下的 eax，這個(gè)用戶態(tài)下eax的位置與具體保存上下文時(shí)如何壓棧有關(guān)，前后能夠?qū)?yīng)上就行。

注：上述是根據(jù) Linux2.6 簡(jiǎn)化來(lái)的偽碼，Linux2.6里面是確有 SAVE_ALL 這個(gè)宏的，其中壓入?yún)?shù)就是 SAVE_ALL 的一部分，在這兒只是為了過(guò)程更清晰所以單獨(dú)寫了出來(lái)。

7. 總結(jié)捋線

上述就是系統(tǒng)調(diào)用的大概過(guò)程，這兒再總結(jié)總結(jié)捋一捋：

1. 調(diào)用用戶接口函數(shù)
2. 用戶接口封裝的是系統(tǒng)調(diào)用接口，早期的 Linux 里就是那7個(gè)宏
3. _syscall 傳系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，傳參，int 80h
4. int 80h 陷入內(nèi)核，保存ss，esp，eflags，cs，eip寄存器
5. 根據(jù)中斷向量號(hào) 80h 去IDT中索引中斷門描述符，根據(jù)其內(nèi)容修改 cs，eip 的值
6. 根據(jù) cs 里的選擇子去 GDT 中索引段描述符，獲得中斷(系統(tǒng)調(diào)用)服務(wù)程序的段基址，結(jié)合 eip 里面的偏移量就得到系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序的地址
7. 系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)程序中 system_call 保存上下文，壓入系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程需要的參數(shù)
8. 根據(jù) eax 里面的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)索引 sys_call_table，然后調(diào)用執(zhí)行
9. 修改上下文中 eax 處的值，將其修改為服務(wù)例程返回值
10. 返回，相當(dāng)于第4步的逆過(guò)程

大致的過(guò)程圖如下所示：

并不是所有的系統(tǒng)調(diào)用都有上述的過(guò)程，在這兒只是從頭至尾的捋一捋，知曉有這么一個(gè)過(guò)程就好，畢竟本文的目的就是捋一捋系統(tǒng)調(diào)用這條線嘛

8. syscall說(shuō)明

_syscall 宏這種形式的系統(tǒng)調(diào)用在 Linux 里面已經(jīng)廢棄不再提供庫(kù)實(shí)現(xiàn)支持，因?yàn)檫@種方式最多支持6個(gè)參數(shù)，而且每個(gè)參數(shù)還要提供相應(yīng)的類型，總共就是2n個(gè)參數(shù)。但是這種實(shí)現(xiàn)方式思路清晰簡(jiǎn)單，所以上述我也是以這種實(shí)現(xiàn)為基來(lái)說(shuō)明的。

現(xiàn)在 Linux 的系統(tǒng)調(diào)用都是用庫(kù)函數(shù)syscall來(lái)實(shí)現(xiàn)的，原型為：

int syscall(int number, ...); 

number指的是系統(tǒng)調(diào)用號(hào)。從這原型就能看出，庫(kù)函數(shù)這種實(shí)現(xiàn)方式支持變參(...)，所以能夠?qū)⑺械南到y(tǒng)調(diào)用統(tǒng)一起來(lái)，不像宏實(shí)現(xiàn)方式不同參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用還需要使用不同的宏。