詳解linux系統(tǒng)調(diào)用原理

操作系統(tǒng)通過系統(tǒng)調(diào)用為運(yùn)行于其上的進(jìn)程提供服務(wù)。

當(dāng)用戶態(tài)進(jìn)程發(fā)起一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用， CPU 將切換到 內(nèi)核態(tài) 并開始執(zhí)行一個(gè) 內(nèi)核函數(shù) 。 內(nèi)核函數(shù)負(fù)責(zé)響應(yīng)應(yīng)用程序的要求，例如操作文件、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊或者申請(qǐng)內(nèi)存資源等。

舉一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，應(yīng)用進(jìn)程需要輸出一行文字，需要調(diào)用 write 這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用：

hello_world.c

#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

讀者可能會(huì)有些疑問——輸出文本不是用 printf 等函數(shù)嗎？

確實(shí)是。 printf 是更高層次的庫(kù)函數(shù)，建立在系統(tǒng)調(diào)用之上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化等功能。 因此，本質(zhì)上還是系統(tǒng)調(diào)用起決定性作用。

調(diào)用流程

那么，在應(yīng)用程序內(nèi)，調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的流程是怎樣的呢？

我們以一個(gè)假設(shè)的系統(tǒng)調(diào)用 xyz 為例，介紹一次系統(tǒng)調(diào)用的所有環(huán)節(jié)。

如上圖，系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行的流程如下：

• 應(yīng)用程序 代碼調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用( xyz )，該函數(shù)是一個(gè)包裝系統(tǒng)調(diào)用的 庫(kù)函數(shù) ；
• 庫(kù)函數(shù) ( xyz )負(fù)責(zé)準(zhǔn)備向內(nèi)核傳遞的參數(shù)，并觸發(fā) 軟中斷 以切換到內(nèi)核；
• CPU 被 軟中斷 打斷后，執(zhí)行 中斷處理函數(shù) ，即 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) ( system_call )；
• 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) 調(diào)用 系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程 ( sys_xyz )，真正開始處理該系統(tǒng)調(diào)用；

執(zhí)行態(tài)切換

應(yīng)用程序 ( application program )與 庫(kù)函數(shù) ( libc )之間， 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) ( system call handler )與 系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程 ( system call service routine )之間， 均是普通函數(shù)調(diào)用，應(yīng)該不難理解。 而 庫(kù)函數(shù) 與 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) 之間，由于涉及用戶態(tài)與內(nèi)核態(tài)的切換，要復(fù)雜一些。

Linux 通過 軟中斷 實(shí)現(xiàn)從 用戶態(tài) 到 內(nèi)核態(tài) 的切換。 用戶態(tài) 與 內(nèi)核態(tài) 是獨(dú)立的執(zhí)行流，因此在切換時(shí)，需要準(zhǔn)備 執(zhí)行棧 并保存 寄存器 。

內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了很多不同的系統(tǒng)調(diào)用(提供不同功能)，而 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) 只有一個(gè)。 因此，用戶進(jìn)程必須傳遞一個(gè)參數(shù)用于區(qū)分，這便是 系統(tǒng)調(diào)用號(hào) ( system call number )。 在 Linux 中， 系統(tǒng)調(diào)用號(hào) 一般通過 eax 寄存器 來傳遞。

總結(jié)起來， 執(zhí)行態(tài)切換 過程如下：

• 應(yīng)用程序 在 用戶態(tài) 準(zhǔn)備好調(diào)用參數(shù)，執(zhí)行 int 指令觸發(fā) 軟中斷 ，中斷號(hào)為 0x80 ；
• CPU 被軟中斷打斷后，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的 中斷處理函數(shù) ，這時(shí)便已進(jìn)入 內(nèi)核態(tài) ；
• 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) 準(zhǔn)備 內(nèi)核執(zhí)行棧 ，并保存所有 寄存器 (一般用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn))；
• 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) 根據(jù) 系統(tǒng)調(diào)用號(hào) 調(diào)用對(duì)應(yīng)的 C 函數(shù)—— 系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程 ；
• 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) 準(zhǔn)備 返回值 并從 內(nèi)核棧 中恢復(fù) 寄存器 ；
• 系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù) 執(zhí)行 ret 指令切換回 用戶態(tài) ；
  

編程實(shí)踐

下面，通過一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，看看應(yīng)用程序如何在 用戶態(tài) 準(zhǔn)備參數(shù)并通過 int 指令觸發(fā) 軟中斷 以陷入 內(nèi)核態(tài) 執(zhí)行 系統(tǒng)調(diào)用 ：

hello_world-int.S

.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

這是一個(gè)匯編語(yǔ)言程序，程序入口在 _start 標(biāo)簽之后。

第 12 行，準(zhǔn)備 系統(tǒng)調(diào)用號(hào) ：將常數(shù) 4 放進(jìn) 寄存器 eax 。 系統(tǒng)調(diào)用號(hào) 4 代表 系統(tǒng)調(diào)用 SYS_write ， 我們將通過該系統(tǒng)調(diào)用向標(biāo)準(zhǔn)輸出寫入一個(gè)字符串。

第 14-16 行， 準(zhǔn)備系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)：第一個(gè)參數(shù)放進(jìn) 寄存器 ebx ，第二個(gè)參數(shù)放進(jìn) ecx ， 以此類推。

write 系統(tǒng)調(diào)用需要 3 個(gè)參數(shù)：

• 文件描述符 ，標(biāo)準(zhǔn)輸出文件描述符為 1 ；
• 寫入內(nèi)容(緩沖區(qū))地址；
• 寫入內(nèi)容長(zhǎng)度(字節(jié)數(shù))；
  

第 17 行，執(zhí)行 int 指令觸發(fā)軟中斷 0x80 ，程序?qū)⑾萑雰?nèi)核態(tài)并由內(nèi)核執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用。 系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行完畢后，內(nèi)核將負(fù)責(zé)切換回用戶態(tài)，應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行之后的指令( 從 20 行開始 )。

第 20-24 行，調(diào)用 exit 系統(tǒng)調(diào)用，以便退出程序。

注解
注意到，這里必須顯式調(diào)用 exit 系統(tǒng)調(diào)用退出程序。 否則，程序?qū)⒗^續(xù)往下執(zhí)行，最終遇到段錯(cuò)誤( segmentation fault )！

讀者可能很好奇——我在寫 C 語(yǔ)言或者其他程序時(shí)，這個(gè)調(diào)用并不是必須的！

這是因?yàn)?C 庫(kù)( libc )已經(jīng)幫你把臟活累活都干了。

接下來，我們編譯并執(zhí)行這個(gè)匯編語(yǔ)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!

其實(shí)，將 系統(tǒng)調(diào)用號(hào) 和 調(diào)用參數(shù) 放進(jìn)正確的 寄存器 并觸發(fā)正確的 軟中斷 是個(gè)重復(fù)的麻煩事。 C 庫(kù)已經(jīng)把這臟累活給干了——試試 syscall 函數(shù)吧！

hello_world-syscall.c

#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;
}