1.什么是系統(tǒng)調用

在 linux 中，軟硬件是有明顯的分層的，出于安全或者是資源統(tǒng)籌考慮，硬件資源由內核進行統(tǒng)一管理，內核擁有絕對的權限，而用戶空間無法直接訪問硬件.在實際的應用中，用戶進程總是無法避免需要操作到硬件，這個硬件可能是磁盤文件，USB接口等，這時候就需要向內核遞交申請，讓內核幫忙做硬件相關的事情，這個過程就由系統(tǒng)調用完成.

無論從硬件還是從軟件角度來說，用戶空間與內核空間有一道無法輕易逾越的屏障，如果是簡單地一分為二，事情并不會有多復雜，不幸的是，這兩者不能簡單地完全隔斷，用戶空間的大部分操作都需要通過內核來完成，就連簡單的申請內存操作，用戶空間都無法獨立自主地做到，因為這涉及到物理內存的分配，而物理內存也是硬件的一種，所以在這道屏障上需要開一扇門，來進行內核與用戶之間的交互，這道門也就是系統(tǒng)調用.

2.系統(tǒng)調用的作用和重要性

系統(tǒng)調用是用戶空間程序與內核空間之間的橋梁。用戶程序通過系統(tǒng)調用請求內核提供的服務，如文件操作、進程控制、網(wǎng)絡通信等。系統(tǒng)調用的存在有以下幾個重要原因：

1. 安全性：保護系統(tǒng)資源，防止用戶程序濫用系統(tǒng)資源。
2. 抽象性：為用戶程序提供統(tǒng)一的接口，隱藏底層實現(xiàn)細節(jié)。
3. 可擴展性：內核可以根據(jù)需要添加新的服務，而不影響用戶程序。

3.系統(tǒng)調用的實現(xiàn)機制

系統(tǒng)調用的實現(xiàn)涉及到用戶態(tài)和內核態(tài)之間的切換，以及內核內部的處理流程。下面是一個簡化的系統(tǒng)調用流程圖：

1. 用戶程序發(fā)起系統(tǒng)調用：用戶程序通過系統(tǒng)調用接口（如syscall函數(shù)）發(fā)起系統(tǒng)調用請求。

2. 切換到內核態(tài)：系統(tǒng)調用接口觸發(fā)一個中斷或特殊指令，使得CPU從用戶態(tài)切換到內核態(tài)。

3. 查找系統(tǒng)調用表：內核通過系統(tǒng)調用表（sys_call_table）查找對應的系統(tǒng)調用處理函數(shù)。

4. 執(zhí)行處理函數(shù)：內核調用相應的處理函數(shù)來執(zhí)行系統(tǒng)調用的具體邏輯。

5. 返回用戶態(tài)：系統(tǒng)調用完成后，內核將結果返回給用戶程序，并通過中斷返回指令切換回用戶態(tài)。

4.系統(tǒng)調用指令都干了些什么（以syscall指令為例）

程序想從用戶態(tài)進入內核態(tài)的關鍵就是系統(tǒng)調用指令，這個指令是內核和用戶的橋梁。 syscall指令是x86-64架構中用于進行系統(tǒng)調用的一種機制。和sysret指令成對出現(xiàn)。當用戶態(tài)程序需要執(zhí)行系統(tǒng)調用時，它通過syscall指令觸發(fā)一個平滑的從用戶態(tài)到內核態(tài)的過渡。以下是syscall指令執(zhí)行時所做的事情的詳細步驟：

4.1. 保存用戶態(tài)寄存器

在執(zhí)行syscall指令之前，用戶程序會將需要傳遞給內核的參數(shù)放入特定的CPU寄存器中。在x86-64架構中，通常是以下寄存器：

• rdi, rsi, rdx, r10, r8, r9：用于傳遞前六個參數(shù)。
• rax：用于存放系統(tǒng)調用的編號。

4.2. 執(zhí)行syscall指令

用戶程序執(zhí)行syscall指令，這會導致CPU執(zhí)行以下操作：

• 觸發(fā)中斷：syscall指令在x86-64架構中相當于執(zhí)行了一個中斷，通常是中斷向量號0x80（32位系統(tǒng)）或0x0C0（64位系統(tǒng)）。

4.3. 從用戶態(tài)切換到內核態(tài)

中斷發(fā)生后，CPU會自動從用戶態(tài)切換到內核態(tài)。這個過程中，CPU會做以下事情：

• 更改棧：從用戶棧切換到內核棧。
• 更改指令指針：將指令指針指向內核態(tài)的中斷處理程序。
• 保存狀態(tài)：保存用戶態(tài)的CPU狀態(tài)，包括寄存器內容等，以便于之后可以恢復。

4.4. 傳遞系統(tǒng)調用信息

內核態(tài)的中斷處理程序會檢查由用戶態(tài)傳遞過來的系統(tǒng)調用號和參數(shù)，并根據(jù)這些信息確定要執(zhí)行的系統(tǒng)調用。

4.5. 查找系統(tǒng)調用處理函數(shù)

內核使用系統(tǒng)調用號查找sys_call_table，找到對應的系統(tǒng)調用處理函數(shù)。

4.6. 執(zhí)行系統(tǒng)調用處理函數(shù)

內核調用相應的處理函數(shù)執(zhí)行系統(tǒng)調用。這個處理函數(shù)會實際執(zhí)行用戶請求的操作，如讀寫文件、創(chuàng)建進程等。

4.7. 處理系統(tǒng)調用結果

系統(tǒng)調用完成后，處理函數(shù)會將結果返回。成功時，返回值通常是一個非負整數(shù)；出錯時，返回一個負的錯誤碼。

4.8. 從內核態(tài)返回用戶態(tài)

系統(tǒng)調用完成后，內核需要將控制權交還給用戶程序。這涉及到以下步驟：

• 恢復用戶態(tài)寄存器：將用戶態(tài)的寄存器狀態(tài)恢復。
• 返回用戶棧：從內核棧切換回用戶棧。
• 使用sysret指令：在x86-64架構中，sysret指令會從內核態(tài)返回到用戶態(tài)。

4.9. 繼續(xù)用戶程序的執(zhí)行

用戶程序在syscall指令之后的下一條指令處繼續(xù)執(zhí)行，此時系統(tǒng)調用的結果已經(jīng)被返回，用戶程序可以根據(jù)這個結果進行后續(xù)操作。

syscall指令的設計使得系統(tǒng)調用的發(fā)起和返回都非常簡單和高效，同時確保了用戶態(tài)和內核態(tài)之間的隔離，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

5.系統(tǒng)調用表的結構

系統(tǒng)調用表是一個函數(shù)指針數(shù)組，每個元素對應一個系統(tǒng)調用的處理函數(shù)。下面是一個簡化的系統(tǒng)調用表的結構圖：

• sys_ni_syscall：默認的處理函數(shù)，當系統(tǒng)調用編號無效時，返回錯誤。
• sys_read、sys_write、sys_open等：具體的系統(tǒng)調用處理函數(shù)。

6.添加新的系統(tǒng)調用

要向內核添加一個新的系統(tǒng)調用，需要以下步驟：

1. 修改系統(tǒng)調用表：在內核源碼的syscall_64.tbl文件中添加新的系統(tǒng)調用編號和對應的處理函數(shù)。

	common	mycall	__x64_sys_mycall

2. 實現(xiàn)處理函數(shù)：編寫一個新的C函數(shù)來實現(xiàn)你的系統(tǒng)調用邏輯，并使用asmlinkage關鍵字聲明。

asmlinkage long sys_mycall(struct pt_regs *regs) {
    // 實現(xiàn)系統(tǒng)調用邏輯
    return 0;
}

3. 修改內核配置：如果系統(tǒng)調用函數(shù)分布在不同的源文件中，需要在相應的makefile中添加源文件的引用。

4. 編譯內核：修改完成后，重新編譯內核，這樣你的新系統(tǒng)調用就可以被使用了。

系統(tǒng)調用的性能考慮

系統(tǒng)調用的實現(xiàn)方式對性能有重要影響。早期的系統(tǒng)調用通過軟件中斷（如int $0x80）實現(xiàn)，這種方式簡單但性能較差。現(xiàn)代的系統(tǒng)調用通過專門的CPU指令（如syscall）實現(xiàn)，可以更快地在用戶態(tài)和內核態(tài)之間切換。

總結

系統(tǒng)調用是我們在傳統(tǒng)的用戶程序思維中，對OS內核的初步窺探，理解系統(tǒng)調用，是我們理解內核最初也是最重要的一步。