linux 内核第四周扒开系统调用的三层皮上

姬梦馨

原创作品

http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、用户态、内核态和中断处理过程

用户通过库函数与系统调用联系起来：库函数帮我们把系统调用封装起来。

1.内核态

高级别执行，可以使用特权指令，访问任意的物理地址。

在高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址。

2.用户态：

用户态：低级别执行，代码范围受到限制。对应x86 3级（x86CPU有0-3四个级别）intel x86 CPU有四个权限分级，0-3。 Linux 有两种，0是内核态，3是用户态区分权限级别使得系统更加稳定。

如何区分用户态与内核态？
cs：eip。[代码段选择寄存器：偏移量寄存器]
通过cs寄存器的最低两位，表示当前代码的特权级：
【针对逻辑地址】
0xc0000000以上的空间只能在内核态下访问
0x00000000-0xbfffffff两种状态下都可以访问

3.中断

中断处理是从用户态进入内核态的主要方式。

寄存器上下文从用户态切换到内核态时，必须保存用户态的寄存器上下文到内核堆栈中，同时会把当前内核态的一些信息加载，例如cs：eip指向中断处理程序入口。

中断发生后的第一件事就是保存现场 - SAVE_ALL
中断处理结束前最后一件事是恢复现场 - RESTORE_ALL

二、系统调用概述

1. 系统调用的意义：

操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口，就是系统调用。

提高系统安全性
用户程序可移植
远离底层硬件编程

2. API - 应用编程接口

与系统调用区别：
API只是一个函数定义
系统调用是通过软中断向内核发出一个明确的请求。

一般每个系统调用对应一个封装例程，库再用这些封装例程定义出用户的API，方便用户使用。
也就是说，API与系统调用不是一一对应的：

API:

直接提供用户态服务
单独的API可能调用几个系统调用
不同的API可能调用了同一个系统调用

返回值：大部分封装例程返回一个整数
1表示失败，不能满足请求
errno 特定出错码

3.所谓“扒开系统调用的三层皮”

API（xyz）
中断向量（system_call）
中断服务程序（sys_xyz）
用户态进程调用系统调用时，CPU切换到内核态执行内核函数

4.系统调用的参数传递

进程指明需要哪个系统调用，传递系统调用号，使用eax传递

系统调用号将xyz与sys_xyz关联起来
system_call是linux中所有系统调用的入口点，每个系统调用至少有一个参数，即系统调用号。

用户态到内核态: 寄存器传递。
每个参数长度不能超过32位，个数不能超过6个。
若超过，使某个寄存器中存储指针，指向内存，内存中存储参数。

实验：

使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用

1.使用库函数API获取系统当前时间

使用time()，结果如下：

2.使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用获取系统当前时间

结果如下：

3：选择mkdir这个系统调用，其系统调用号为39，即0x27。

mkdir.c的运行结果如下：

运行完mkdir可执行文件，产生了新的文件夹test，改编成汇编代码调用：

执行结果如图：

总结：

系统调用是用户通过库函数方式：库函数帮我们把系统调用封装起来。还是很抽象的，需要结合实验和实践理解。