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。

www.512.net 1

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 eaxwww.512.net, 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;
}

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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

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