详解Linux系统调用的实现机制

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系统调用概述

计算机系统的各种硬件资源是有限的，在现代多任务操作系统上同时运行的多个进程都需要访问这些资源，为了更好的管理这些资源进程是不允许直接操作的，所有对这些资源的访问都必须有操作系统控制。

也就是说操作系统是使用这些资源的唯一入口，而这个入口就是操作系统提供的系统调用（System Call）。在linux中系统调用是用户空间访问内核的唯一手段，除异常和陷入外，他们是内核唯一的合法入口。

一般情况下应用程序通过应用编程接口API，而不是直接通过系统调用来编程。在Unix世界，最流行的API是基于POSIX标准的。

操作系统一般是通过中断从用户态切换到内核态。中断就是一个硬件或软件请求，要求CPU暂停当前的工作，去处理更重要的事情。比如，在x86机器上可以通过int指令进行软件中断，而在磁盘完成读写操作后会向CPU发起硬件中断。

中断有两个重要的属性，中断号和中断处理程序。中断号用来标识不同的中断，不同的中断具有不同的中断处理程序。在操作系统内核中维护着一个中断向量表（Interrupt Vector Table），这个数组存储了所有中断处理程序的地址，而中断号就是相应中断在中断向量表中的偏移量。

一般地，系统调用都是通过软件中断实现的，x86系统上的软件中断由int $0x80指令产生，而128号异常处理程序就是系统调用处理程序system_call()，它与硬件体系有关，在entry.S中用汇编写。接下来就来看一下Linux下系统调用具体的实现过程。

为什么需要系统调用

linux内核中设置了一组用于实现系统功能的子程序，称为系统调用。系统调用和普通库函数调用非常相似，只是系统调用由操作系统核心提供，运行于内核态，而普通的函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。

一般的，进程是不能访问内核的。它不能访问内核所占内存空间也不能调用内核函数。CPU硬件决定了这些（这就是为什么它被称作“保护模式”）。

为了和用户空间上运行的进程进行交互，内核提供了一组接口。透过该接口，应用程序可以访问硬件设备和其他操作系统资源。这组接口在应用程序和内核之间扮演了使者的角色，应用程序发送各种请求，而内核负责满足这些请求(或者让应用程序暂时搁置)。实际上提供这组接口主要是为了保证系统稳定可靠，避免应用程序肆意妄行，惹出大麻烦。

系统调用在用户空间进程和硬件设备之间添加了一个中间层。该层主要作用有三个：

1、它为用户空间提供了一种统一的硬件的抽象接口。比如当需要读些文件的时候，应用程序就可以不去管磁盘类型和介质，甚至不用去管文件所在的文件系统到底是哪种类型。

2、系统调用保证了系统的稳定和安全。作为硬件设备和应用程序之间的中间人，内核可以基于权限和其他一些规则对需要进行的访问进行裁决。举例来说，这样可以避免应用程序不正确地使用硬件设备，窃取其他进程的资源，或做出其他什么危害系统的事情。

3、每个进程都运行在虚拟系统中，而在用户空间和系统的其余部分提供这样一层公共接口，也是出于这种考虑。如果应用程序可以随意访问硬件而内核又对此一无所知的话，几乎就没法实现多任务和虚拟内存，当然也不可能实现良好的稳定性和安全性。在Linux中，系统调用是用户空间访问内核的惟一手段；除异常和中断外，它们是内核惟一的合法入口。

API/POSIX/C库的区别与联系

一般情况下，应用程序通过应用编程接口(API)而不是直接通过系统调用来编程。这点很重要，因为应用程序使用的这种编程接口实际上并不需要和内核提供的系统调用一一对应。

一个API定义了一组应用程序使用的编程接口。它们可以实现成一个系统调用，也可以通过调用多个系统调用来实现，而完全不使用任何系统调用也不存在问题。实际上，API可以在各种不同的操作系统上实现，给应用程序提供完全相同的接口，而它们本身在这些系统上的实现却可能迥异。

在Unix世界中，最流行的应用编程接口是基于POSIX标准的，其目标是提供一套大体上基于Unix的可移植操作系统标准。POSIX是说明API和系统调用之间关系的一个极好例子。在大多数Unix系统上，根据POSIX而定义的API函数和系统调用之间有着直接关系。

Linux的系统调用像大多数Unix系统一样，作为C库的一部分提供如下图所示。C库实现了 Unix系统的主要API，包括标准C库函数和系统调用。所有的C程序都可以使用C库，而由于C语言本身的特点，其他语言也可以很方便地把它们封装起来使用。

从程序员的角度看，系统调用无关紧要，他们只需要跟API打交道就可以了。相反，内核只跟系统调用打交道；库函数及应用程序是怎么使用系统调用不是内核所关心的。

关于Unix的界面设计有一句通用的格言“提供机制而不是策略”。换句话说，Unix的系统调用抽象出了用于完成某种确定目的的函数。至于这些函数怎么用完全不需要内核去关心。区别对待机制(mechanism)和策略(policy)是Unix设计中的一大亮点。大部分的编程问题都可以被切割成两个部分:“需要提供什么功能”(机制)和“怎样实现这些功能”(策略)。

区别

api是函数的定义，规定了这个函数的功能，跟内核无直接关系。而系统调用是通过中断向内核发请求，实现内核提供的某些服务。

联系

一个api可能会需要一个或多个系统调用来完成特定功能。通俗点说就是如果这个api需要跟内核打交道就需要系统调用，否则不需要。

程序员调用的是API（API函数），然后通过与系统调用共同完成函数的功能。

因此，API是一个提供给应用程序的接口，一组函数，是与程序员进行直接交互的。

系统调用则不与程序员进行交互的，它根据API函数，通过一个软中断机制向内核提交请求，以获取内核服务的接口。

并不是所有的API函数都一一对应一个系统调用，有时，一个API函数会需要几个系统调用来共同完成函数的功能，甚至还有一些API函数不需要调用相应的系统调用（因此它所完成的不是内核提供的服务）

系统调用的实现原理

基本机制

前文已经提到了Linux下的系统调用是通过0x80实现的，但是我们知道操作系统会有多个系统调用（Linux下有319个系统调用），而对于同一个中断号是如何处理多个不同的系统调用的？

最简单的方式是对于不同的系统调用采用不同的中断号，但是中断号明显是一种稀缺资源，Linux显然不会这么做；还有一个问题就是系统调用是需要提供参数，并且具有返回值的，这些参数又是怎么传递的？也就是说，对于系统调用我们要搞清楚两点：

1. 系统调用的函数名称转换。

2. 系统调用的参数传递。

响应函数sys_xxx

系统调用表与系统调用号-=>数组与下标

call *sys_ call-table(，%eax, 4)1

进程的系统调用命令转换为INT 0x80中断的过程

系统调用功能模块的初始化

内核如何为各种系统调用服务

ret_from_sys_call

内核如何为系统调用的参数传递参数

参数传递

除了系统调用号以外，大部分系统调用都还需要一些外部的参数输人。所以，在发生异常的时候，应该把这些参数从用户空间传给内核。最简单的办法就是像传递系统调用号一样把这些参数也存放在寄存器里。

在x86系统上，ebx, ecx, edx, esi和edi按照顺序存放前五个参数。需要六个或六个以上参数的情况不多见，此时，应该用一个单独的寄存器存放指向所有这些参数在用户空间地址的指针。

参数验证

• 指针指向的内存区域属于用户空间。进程决不能哄骗内核去读内核空间的数据。

• 指针指向的内存区域在进程的地址空间里。进程决不能哄骗内核去读其他进程的数据。

• 如果是读，该内存应被标记为可读。如果是写，该内存应被标记为可写。进程决不能绕过内存访问限制。

系统调用的返回值

asmlinkage long sys_ getpid(void) {
    return current-> tgid;
}

访问系统调用

系统调用上下文

系统调用访问示例

从用户空间直接访问系统调用

long open(const char *filename, int flags, int mode)

#define NR_ open 5
syscall3(long, open, const char*，filename, int, flags, int, mode)

#define NR foo 283
_sysca110(long, foo)
int main()
{
long stack size;
stack_ size=foo();
printf("The kernel stack
size is 81d/n"，stack_ size);
return;
}

添加系统调用

通过修改内核源代码添加系统调用

linux-2.6.*

编写int testsyscall()系统调用–响应函数

asmlingkage sys_testsyscall()
{ 
    print("hello worldn");    
    return 0;
 }

添加系统调用号

#define_NR_testsyscall 191

系统调用表中添加对应项

.long SYMBOL_NAME(_sys_tsetsycall)

使用新的系统调用

#inculde

_syscall0(int,testsyscall)

main()
{
    tsetsyscall();
}

linux-3.*

asmlinkage int sys_mycall(int number) {    
    printk("这是我添加的第一个系统调用");    
    return number; }

223 i386 mycall sys_mycall

利用内核模块添加系统调用

编写系统调用内核模块

#inculde(linux/kernel.h)

#inculde(linux/module.h)

#inculde(linux/modversions.h)

#inculde(linux/sched.h)

 #inculde(asm/uaccess.h)

#define_NR_testsyscall 191

extern viod *sys_call+table[];

asmlinkage int testsyscall() { 
    printf("hello worldn");

    return 0;

}

int init_module() { 
    sys_call_table[_NR_tsetsyscall]=testsyscall;
    printf("system call testsyscall() loaded successn");

    return 0;
}

void cleanup_module() {

}

使用新的系统调用

#define_NR_testsyscall 191

_syscall0(int,testsyscall)

main()
{
    testsyscall();
}

内核Linux系统调用的列表

文件系统控制

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