Linux系统调用原理

操作系统通过系统调用为运行于其上的进程提供服务。

当用户态进程发起一个系统调用， CPU 将切换到 内核态 并开始执行一个 内核函数 。 内核函数负责响应应用程序的要求，例如操作文件、进行网络通讯或者申请内存资源等。

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举一个最简单的例子，应用进程需要输出一行文字，需要调用 write 这个系统调用：

#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    char *msg = "Hello, world!\n";
    write(1, msg, strlen(msg));
    return 0;
}

注解

读者可能会有些疑问——输出文本不是用 printf 等函数吗？

确实是。 printf 是更高层次的库函数，建立在系统调用之上，实现数据格式化等功能。 因此，本质上还是系统调用起决定性作用。

调用流程

那么，在应用程序内，调用一个系统调用的流程是怎样的呢？

我们以一个假设的系统调用 xyz 为例，介绍一次系统调用的所有环节。

如上图，系统调用执行的流程如下：

1. 应用程序 代码调用系统调用( xyz )，该函数是一个包装系统调用的 库函数 ；
2. 库函数 ( xyz )负责准备向内核传递的参数，并触发 软中断 以切换到内核；
3. CPU 被 软中断 打断后，执行 中断处理函数 ，即 系统调用处理函数 ( system_call)；
4. 系统调用处理函数 调用 系统调用服务例程 ( sys_xyz )，真正开始处理该系统调用；

执行态切换

应用程序 ( application program )与 库函数 ( libc )之间， 系统调用处理函数 ( system call handler )与 系统调用服务例程 ( system call service routine )之间， 均是普通函数调用，应该不难理解。 而 库函数 与 系统调用处理函数 之间，由于涉及用户态与内核态的切换，要复杂一些。

Linux 通过 软中断 实现从 用户态 到 内核态 的切换。 用户态 与 内核态 是独立的执行流，因此在切换时，需要准备 执行栈 并保存 寄存器 。

内核实现了很多不同的系统调用(提供不同功能)，而 系统调用处理函数 只有一个。 因此，用户进程必须传递一个参数用于区分，这便是 系统调用号 ( system call number )。 在 Linux 中， 系统调用号 一般通过 eax 寄存器 来传递。

总结起来， 执行态切换 过程如下：

1. 应用程序 在 用户态 准备好调用参数，执行 int 指令触发 软中断 ，中断号为 0x80 ；
2. CPU 被软中断打断后，执行对应的 中断处理函数 ，这时便已进入 内核态 ；
3. 系统调用处理函数 准备 内核执行栈 ，并保存所有 寄存器 (一般用汇编语言实现)；
4. 系统调用处理函数 根据 系统调用号 调用对应的 C 函数—— 系统调用服务例程 ；
5. 系统调用处理函数 准备 返回值 并从 内核栈 中恢复 寄存器 ；
6. 系统调用处理函数 执行 ret 指令切换回 用户态 ；

编程实践

下面，通过一个简单的程序，看看应用程序如何在 用户态 准备参数并通过 int 指令触发 软中断 以陷入 内核态 执行 系统调用 ：

.section .rodata
msg:
    .ascii "Hello, world!\n"
.section .text
.global _start
_start:
    # call SYS_WRITE
    movl $4, %eax
    # push arguments
    movl $1, %ebx
    movl $msg, %ecx
    movl $14, %edx
    int $0x80
    # Call SYS_EXIT
    movl $1, %eax
    # push arguments
    movl $0, %ebx
    # initiate
    int $0x80

这是一个汇编语言程序，程序入口在 _start 标签之后。

第 12 行，准备 系统调用号 ：将常数 4 放进 寄存器 eax 。 系统调用号 4 代表 系统调用 SYS_write ， 我们将通过该系统调用向标准输出写入一个字符串。

第 14-16 行， 准备系统调用参数：第一个参数放进 寄存器 ebx ，第二个参数放进 ecx ， 以此类推。

write 系统调用需要 3 个参数：

• 文件描述符 ，标准输出文件描述符为 1 ；
• 写入内容(缓冲区)地址；
• 写入内容长度(字节数)；

第 17 行，执行 int 指令触发软中断 0x80 ，程序将陷入内核态并由内核执行系统调用。 系统调用执行完毕后，内核将负责切换回用户态，应用程序继续执行之后的指令( 从 20 行开始 )。

第 20-24 行，调用 exit 系统调用，以便退出程序。

注解

注意到，这里必须显式调用 exit 系统调用退出程序。 否则，程序将继续往下执行，最终遇到 段错误 ( segmentation fault )！

读者可能很好奇——在写 C 语言或者其他程序时，这个调用并不是必须的！

这是因为 C 库( libc )已经帮你把脏活累活都干了。

接下来，我们编译并执行这个汇编语言程序：

$ ls
hello_world-int.S
$ as -o hello_world-int.o hello_world-int.S
$ ls
hello_world-int.o  hello_world-int.S
$ ld -o hello_world-int hello_world-int.o
$ ls
hello_world-int  hello_world-int.o  hello_world-int.S
$ ./hello_world-int
Hello, world!

其实，将 系统调用号 和 调用参数 放进正确的 寄存器 并触发正确的 软中断 是个重复的麻烦事。 C 库已经把这脏累活给干了——试试 syscall 函数吧！

#include <string.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
    char *msg = "Hello, world!\n";
    syscall(SYS_write, 1, msg, strlen(msg));
    return 0;
}

参考文献

1. Serg Iakovlev
2. write(2) - Linux manual page
3. syscall(2) - Linux manual page
4. _exit(2) - Linux manual page