系统调用实现过程
系统调用是让用户态进入内核态的一种方法，系统调用的实现分为四部分：系统调用注册，系统调用触发，系统调用执行，系统调用返回。
1.系统调用注册
在每种平台上，都有特定的指令可以使进程执行由用户态转换为内核态，这种指令称为操作系统陷入。在Linux中是通过软中断来实现这种陷入的，在X86平台上，这条指令是int 0x80。也就是说在linux中，系统调用的接口是一个中断处理函数的特例。
在linux启动过程中，对INT80进行一定的初始化：
1.使用汇编子程序setup_idt（linux/arch/i386/kernel/head.S）初始化idt表（中断描述符表），
这时所有的入口函数偏移地址都被设为ignore_int
( setup_idt:
lea ignore_int,%edx
movl $(__KERNEL_CS << 16),%eax
movw %dx,%ax /* selector = 0x0010 = cs */
movw $0x8E00,%dx /* interrupt gate - dpl=0, present */
lea SYMBOL_NAME(idt_table),%edi
mov $256,%ecx
rp_sidt:
movl %eax,(%edi)
movl %edx,4(%edi)
addl $8,%edi
dec %ecx
jne rp_sidt
ret
selector = __KERNEL_CS, DPL = 0, TYPE = E, P = 1）;
2.Start_kernel()(linux/init/main.c)调用trap_init()(linux/arch/i386/kernel/trap.c)函数设置中断描述符表。
在该函数里，实际上是通过调用函数set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call)来完成该项的设置的。其中的SYSCALL_VECTOR就是0x80，而system_call则是一个汇编子函数，它即是中断0x80的处理函数，主要完成两项工作：
a. 寄存器上下文的保存；
b. 跳转到系统调用处理函数。在后面会详细介绍这些内容。
（补充说明：门描述符
set_system_gate()是在linux/arch/i386/kernel/trap.S中定义的，在该文件中还定义了几个类似的函数set_intr_gate(), set_trap_gate, set_call_gate()。这些函数都调用了同一个汇编子函数__set_gate()，该函数的作用是设置门描述符。IDT中的每一项都是一个门描述符。
#define _set_gate(gate_addr,type,dpl,addr)
set_gate(idt_table+n,15,3,addr);
门描述符的作用是用于控制转移，其中会包括选择子，这里总是为__KERNEL_CS（指向GDT中的一项段描述符）、入口函数偏移地址、门访问特权级（DPL）以及类型标识（TYPE）。Set_sy stem_gate的DPL为3，表示从特权级3（最低特权级）也可以访问该门，type为15，表示为386中断门。）
涉及到了系统调用的相关数据结构和表：
1.系统调用处理函数的函数名的约定
函数名都以“sys_”开头，后面跟该系统调用的名字。例如，系统调用fork()的处理函数名是sys_fork()。
asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs regs);
2.系统调用号（System Call Number）
核心中为每个系统调用定义了一个唯一的编号，这个编号的定义在linux/include/asm/unistd.h中，编号的定义方式如下所示：
#define __NR_exit 1
#define __NR_fork 2
#define __NR_read 3
#define __NR_write 4
. . . . . .
用户在调用一个系统调用时，系统调用号号作为参数传递给中断0x80，而该标号实际上是后面将要提到的系统调用表(sys_call_table)的下标，通过该值可以到相映系统调用的处理函数地址。
3.系统调用表
系统调用表的定义方式如下：（linux/arch/i386/kernel/entry.S）
ENTRY(sys_call_table)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)
.long SYMBOL_NAME(sys_exit)
.long SYMBOL_NAME(sys_fork)
.long SYMBOL_NAME(sys_read)
.long SYMBOL_NAME(sys_write)
. . . . . .
系统调用表记录了各个系统调用处理函数的入口地址，以系统调用号为偏移量很容易的能够在该表中到对应处理函数地址。在linux/include/linux/sys.h中定义的NR_syscalls表示该表能容纳的最大系统调用数，NR_syscalls = 256。
2.系统调用触发
如前面提到的，系统调用是通过一条陷入指令进入核心态，然后根据传给核心的系统调用号为索引在系统调用表中到相映的处理函数入口地址。这里将详细介绍这一过程。
调用子程序的例子
我们还是以x86为例说明：
由于陷入指令是一条特殊指令，而且依赖与操作系统实现的平台，如在x86中，这条指令是int 0x80，这显然不是用户在编程时应该使用的语句，因为这将使得用户程序难于移植。所以在操作系统的上层需要实现一个对应的系统调用库，每个系统调用都在该库中包含了一个入口点（如我们看到的fork, open, close等等），这些函数对程序员是可见的，而这些库函数的工作是以对应系统调用号作为参数，执行陷入指令int 0x80，以陷入核心执行真正的系统调用处理函数。当一个进程调用一个特定的系统调用库的入口点，正如同它调用任何函数一样，对于库函数也要创建一个栈帧。而当进程执行陷入指令时，它将处理机状态转换到核心态，并且在核心栈执行核心代码。
这里给出一个示例（linux/include/asm/unistd.h）：
#define _syscallN(type, name, type1, arg1, type2, arg2, . . . ) \
type name(type1 arg1,type2 arg2) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
: "=a" (__res) \
: "" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2))); \
. . . . . .
__syscall_return(type,__res); \
}
在执行一个系统调用库中定义的系统调用入口函数时，实际执行的是类似如上的一段代码。这里牵涉到
一些gcc的嵌入式汇编语言，不做详细的介绍，只简单说明其意义：其中__NR_##name是系统调用号，如name == ioctl，则为__NR_ioctl，它将被放在寄存器eax中作为参数传递给中断0x80的处理函数。而系统调用的其它参数arg1, arg2, …则依次被放入ebx, ecx, . . .等通用寄存器中，并作为系统调用处理函数的参数，这些参数是怎样传入核心的将会在后面介绍。
下面将示例说明：
int func1()
{
int fd, retval;
fd = open(filename, ……);
……
ioctl(fd, cmd, arg);
. . .
}
func2()
{
int fd, retval;
fd = open(filename, ……);
……
__asm__ __volatile__(\
"int $0x80\n\t"\
:"=a"(retval)\
:"0"(__NR_ioctl),\
"b"(fd),\
"c"(cmd),\
"d"(arg));
}
这两个函数在Linux/x86上运行的结果应该是一样的。
若干个库函数可以映射到同一个系统调用入口点。系统调用入口点对每个系统调用定义其真正的语法和语义，但库函数通常提供一个更方便的接口。如系统调用exec有集中不同的调用方式：execl, execle，等，它们实际上只是同一系统调用的不同接口而已。对于这些调用，它们的库函数对它们各自的参数加以处理，来实现各自的特点，但是最终都被映射到同一个核心入口点。
3.系统调用执行
当进程执行系统调用时，先调用系统调用库中定义某个函数，该函数通常被展开成前面提到的_syscallN的形式通过INT 0x80来陷入核心，其参数也将被通过寄存器传往核心。
在这一部分，我们将介绍INT 0x80的处理函数system_call。
思考一下就会发现，在调用前和调用后执行态完全不相同：前者是在用户栈上执行用户态程序，后者在核心栈上执行核心态代码。那么，为了保证在核心内部执行完系统调用后能够返回调用点继续执行用户代码，必须在进入核心态时保存时往核心中压入一个上下文层；
在从核心返回时会弹出一个上下文层，这样用户进程就可以继续运行。
那么，这些上下文信息是怎样被保存的，被保存的又是那些上下文信息呢？这里仍以x86为例说明。
在执行INT指令时，实际完成了以下几条操作：
1、由于INT指令发生了不同优先级之间的控制转移，所以首先从TSS（任务状态段）中获取高优先级的核心堆栈信息（SS和ESP）；
2、把低优先级堆栈信息（SS和ESP）保留到高优先级堆栈（即核心栈）中；
3、把EFLAGS，外层CS，EIP推入高优先级堆栈（核心栈）中。
4、通过IDT加载CS，EIP（控制转移至中断处理函数）
然后就进入了中断0x80的处理函数system_call了，在该函数中首先使用了一个宏SAVE_ALL，该宏的定义如下所示：
#define SAVE_ALL \
cld; \
pushl %es; \
pushl %ds; \
pushl %eax; \
pushl %ebp; \
pushl %edi; \
pushl %esi; \
pushl %edx; \
pushl %ecx; \
pushl %ebx; \
movl $(__KERNEL_DS),%edx; \
movl %edx,%ds; \
movl %edx,%es;
该宏的功能一方面是将寄存器上下文压入到核心栈中，对于系统调用，同时也是系统调用参数的传入过程，因为在不同特权级之间控制转换时，INT指令不同于CALL指令，它不会将外层堆栈的参数自动拷贝到内层堆栈中。所以在调用系统调用时，必须先象前面的例子里提到的那样，把参数指定到各个寄存器中，然后在陷入核心之后使用SAVE_ALL把这些保存在寄存器中的参数依次压入核心栈，这样核心才能使用用户传入的参数。下面给出system_call的源代码：
ENTRY(system_call)
pushl %eax # save orig_eax
SAVE_ALL
GET_CURRENT(%ebx)
cmpl $(NR_syscalls),%eax
jae badsys
testb $0x20,flags(%ebx) # PF_TRACESYS
jne tracesys
call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4)
. . . . . .
在这里所做的所有工作是：
1.保存EAX寄存器，因为在SAVE_ALL中保存的EAX寄存器会被调用的返回值所覆盖；
2.调用SAVE_ALL保存寄存器上下文；

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。