Linux内核学习笔记1——系统调用原理【转】

1什么是系统调用

系统调用，顾名思义，说的是操作系统提供给用户程序调用的一组“特殊”接口。用户程序可以通过这组“特殊”接口来获得操作系统内核提供的服务，比如用户可以通过文件系统相关的调用请求系统打开文件、关闭文件或读写文件，可以通过时钟相关的系统调用获得系统时间或设置定时器等。

　　从逻辑上来说，系统调用可被看成是一个内核与用户空间程序交互的接口——它好比一个中间人，把用户进程的请求传达给内核，待内核把请求处理完毕后再将处理结果送回给用户空间。

　　系统服务之所以需要通过系统调用来提供给用户空间的根本原因是为了对系统进行“保护”，因为我们知道Linux的运行空间分为内核空间与用户空间，它们各自运行在不同的级别中，逻辑上相互隔离。所以用户进程在通常情况下不允许访问内核数据，也无法使用内核函数，它们只能在用户空间操作用户数据，调用用户空间函数。比如我们熟悉的“hello world”程序（执行时）就是标准的用户空间进程，它使用的打印函数printf就属于用户空间函数，打印的字符“hello word”字符串也属于用户空间数据。

　　但是很多情况下，用户进程需要获得系统服务（调用系统程序），这时就必须利用系统提供给用户的“特殊接口”——系统调用了，它的特殊性主要在于规定了用户进程进入内核的具体位置；换句话说，用户访问内核的路径是事先规定好的，只能从规定位置进入内核，而不准许肆意跳入内核。有了这样的陷入内核的统一访问路径限制才能保证内核安全无虞。我们可以形象地描述这种机制：作为一个游客，你可以买票要求进入野生动物园，但你必须老老实实地坐在观光车上，按照规定的路线观光游览。当然，不准下车，因为那样太危险，不是让你丢掉小命，就是让你吓坏了野生动物。

2 Linux的系统调用 

对于现代操作系统，系统调用是一种内核与用户空间通讯的普遍手段，Linux系统也不例外。但是Linux系统的系统调用相比很多Unix和windows等系统具有一些独特之处，无处不体现出Linux的设计精髓——简洁和高效。

Linux系统调用很多地方继承了Unix的系统调用（但不是全部），但Linux相比传统Unix的系统调用做了很多扬弃，它省去了许多Unix系统冗余的系统调用，仅仅保留了最基本和最有用的系统调用，所以Linux全部系统调用只有250个左右（而有些操作系统系统调用多达1000个以上）。

要弥补这个鸿沟，第一，你必须明白系统调用在内核里的主要用途。虽然上面给出了数种分类，不过，总的概括来讲，系统调用在系统中的主要用途无非以下几类：

l        控制硬件——系统调用往往作为硬件资源和用户空间的抽象接口，比如读写文件时用到的write/read调用。

l        设置系统状态或读取内核数据——因为系统调用是用户空间和内核的唯一通讯手段，所以用户设置系统状态，比如开/关某项内核服务（设置某个内核变量），或读取内核数据都必须通过系统调用。比如getpgid、getpriority、setpriority、sethostname

l        进程管理——一系统调用接口是用来保证系统中进程能以多任务在虚拟内存环境下得以运行。比如 fork、clone、execve、exit等

第二，什么服务应该存在于内核；或者说什么功能应该实现在内核而不是在用户空间。这个问题并没有明确的答案，有些服务你可以选择在内核完成，也可以在用户空间完成。选择在内核完成通常基于以下考虑：

l        服务必须获得内核数据，比如一些服务必须获得中断或系统时间等内核数据。

l        从安全角度考虑，在内核中提供的服务相比用户空间提供的毫无疑问更安全，很难被非法访问到。

l        从效率考虑，在内核实现服务避免了和用户空间来回传递数据以及保护现场等步骤，因此效率往往要比在用户空间实现高许多。比如,httpd等服务。

l        如果内核和用户空间都需要使用该服务，那么最好实现在内核空间，比如随机数产生。

理解上述道理对掌握系统调用的本质意义很大，希望网友们能从使用中多总结，多思考。

3系统调用、用户编程接口（API）、系统命令和内核函数的关系 

　　系统调用并非直接和程序员或系统管理员打交道，它仅仅是一个通过软中断机制向内核提交请求，获取内核服务的接口。而在实际使用中程序员调用的多是用户编程接口——API，而管理员使用的则多是系统命令。

　　用户编程接口其实是一个函数定义，说明了如何获得一个给定的服务，比如read()、malloc()、free（）、abs()等。它有可能和系统调用形式上一致，比如read()接口就和read系统调用对应，但这种对应并非一一对应，往往会出现几种不同的API内部用到同一个系统调用，比如malloc()、free（）内部利用brk( )系统调用来扩大或缩小进程的堆；或一个API利用了好几个系统调用组合完成服务。更有些API甚至不需要任何系统调用——因为它并不是必需要使用内核服务，如计算整数绝对值的abs（）接口。

　　另外要补充的是Linux的用户编程接口遵循了在Unix世界中最流行的应用编程界面标准——POSIX标准，这套标准定义了一系列API。在Linux中（Unix也如此），这些API主要是通过C库（libc）实现的，它除了定义的一些标准的C函数外，一个很重要的任务就是提供了一套封装例程（wrapper routine）将系统调用在用户空间包装后供用户编程使用。

　　下一个需要解释一下的问题是内核函数和系统调用的关系。大家不要把内核函数想像的过于复杂，其实它们和普通函数很像，只不过在内核实现，因此要满足一些内核编程的要求。系统调用是一层用户进入内核的接口，它本身并非内核函数，进入内核后，不同的系统调用会找到对应到各自的内核函数——换个专业说法就叫：系统调用服务例程。实际上针对请求提供服务的是内核函数而非调用接口。

比如系统调用 getpid实际上就是调用内核函数sys_getpid。

asmlinkage long sys_getpid(void)

{

return current->tpid;

}

　　Linux系统中存在许多内核函数，有些是内核文件中自己使用的，有些则是可以export出来供内核其他部分共同使用的，具体情况自己决定。

内核公开的内核函数——export出来的——可以使用命令ksyms 或 cat /proc/ksyms来查看。另外，网上还有一本归纳分类内核函数的书叫作《The Linux Kernel API Book》，有兴趣的读者可以去看看。

总而言之，从用户角度向内核看，依次是系统命令、编程接口、系统调用和内核函数。在讲述了系统调用实现后，我们会回过头来看看整个执行路径。

　　4系统调用的实现 Linux中实现系统调用利用了0x86体系结构中的软件中断[4]。软件中断和我们常说的中断(硬件中断)不同之处在于——它是通过软件指令触发而并非外设引发的中断，也就是说，又是编程人员开发出的一种异常，具体的讲就是调用int $0x80汇编指令，这条汇编指令将产生向量为128的编程异常。

　　之所以系统调用需要借助异常来实现，是因为当用户态的进程调用一个系统调用时，CPU便被切换到内核态执行内核函数[5]，而我们在i386体系结构部分已经讲述过了进入内核——进入高特权级别——必须经过系统的门机制，这里的异常实际上就是通过系统门陷入内核（除了int 0x80外用户空间还可以通过int3——向量3、into——向量4 、bound——向量5等异常指令进入内核，而其他异常无法被用户空间程序利用，都是由系统使用的）。

　　我们更详细地解释一下这个过程。int $0x80指令的目的是产生一个编号为128的编程异常，这个编程异常对应的是中断描述符表IDT中的第128项——也就是对应的系统门描述符。门描述符中含有一个预设的内核空间地址，它指向了系统调用处理程序：system_call()（别和系统调用服务程序混淆,这个程序在entry.S文件中用汇编语言编写）。

　　很显然，所有的系统调用都会统一地转到这个地址，但Linux一共有2、3百个系统调用都从这里进入内核后又该如何派发到它们到各自的服务程序去呢？别发昏，解决这个问题的方法非常简单：首先Linux为每个系统调用都进行了编号（0—NR_syscall），同时在内核中保存了一张系统调用表，该表中保存了系统调用编号和其对应的服务例程，因此在系统调入通过系统门陷入内核前，需要把系统调用号一并传入内核，在x86上，这个传递动作是通过在执行int0x80前把调用号装入eax寄存器实现的。这样系统调用处理程序一旦运行，就可以从eax中得到数据，然后再去系统调用表中寻找相应服务例程了。

　　除了需要传递系统调用号以外，许多系统调用还需要传递一些参数到内核，比如sys_write(unsigned int fd, const char * buf, size_t count)调用就需要传递文件描述符fd、要写入的内容buf、以及写入字节数count等几个内容到内核。碰到这种情况，Linux会有6个寄存器可被用来传递这些参数：eax (存放系统调用号)、 ebx、ecx、edx、esi及edi来存放这些额外的参数（以字母递增的顺序）。具体做法是在system_call( )中使用SAVE_ALL宏把这些寄存器的值保存在内核态堆栈中.

转自：http://hi.baidu.com/ahunspun/blog/item/4620954be9e483f783025c06.html