Linux系统调用原理

一、什么是系统调用

系统调用 跟用户自定义函数一样也是一个函数，不同的是 系统调用 运行在内核态，而用户自定义函数运行在用户态。由于某些指令（如设置时钟、关闭/打开中断和I/O操作等）只能运行在内核态，所以操作系统必须提供一种能够进入内核态的方式，系统调用 就是这样的一种机制。

系统调用 是 Linux 内核提供的一段代码（函数），其实现了一些特定的功能，用户可以通过 int 0x80 中断（x86 CPU）或者 syscall 指令（x64 CPU）来调用 系统调用。

二、进入系统调用

本文主要介绍的是 x86 CPU 进入系统调用的方式

Linux 提供了 int 0x80 中断来让用户程序进入 系统调用，我们来看看 Linux 对 int 0x80 中断的处理初始化过程：

void __init trap_init(void)
{
    ...
    set_system_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);
    ...
}

系统初始化时，会在 trap_init() 函数中对 int 0x80 中断处理进行初始化，设置其中断处理过程入口为 system_call。system_call 是一段由汇编语言编写的代码，我们看看关键部分，如下：

ENTRY(system_call)
    ...
    call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4)
    movl %eax,EAX(%esp)     # save the return value
    ...

我们把上面的汇编改写成 C 代码如下：

void system_call()
{
    ...
    // 变量 eax 代表 eax 寄存器的值
    syscall = sys_call_table[eax];
    eax = syscall();
    ...
}

sys_call_table 变量是一个数组，数组的每一个元素代表一个 系统调用 的入口，其定义如下（在文件 arch/i386/kernel/entry.S 中）：

.data
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)
    .long SYMBOL_NAME(sys_open)
    .long SYMBOL_NAME(sys_close)
    ...

翻译成 C 代码如下：

long sys_call_table[] = {
   sys_ni_syscall,
   sys_exit,
   sys_fork,
   sys_read,
   sys_write,
   sys_open,
   sys_close,
   ...
};

用户调用 系统调用 时，通过向 eax 寄存器写入要调用的 系统调用 编号，这个编号就是 sys_call_table 数组的下标。 system_call 过程获取 eax 寄存器的值，然后通过 eax 寄存器的值找到要调用的 系统调用 入口，并且进行调用。调用完成后，系统调用 会把返回值保存到 eax 寄存器中。

原理如下图（图片来源 https://developer.ibm.com/zh/technologies/linux/tutorials/l-system-calls/ ）：

三、系统调用实现

当用户要调用 系统调用 时，需要通过向 eax 寄存器写入要调用的 系统调用 编号。因为 用户态 和 内核态 使用的栈不同，而调用 系统调用 是在用户态调用的，而进入 系统调用 后会变成内核态，所以参数就不能通过栈来传递。Linux 使用寄存器来传递参数，参数与寄存器的关系如下：

• 第1个参数放置在 ebx 寄存器。
• 第2个参数放置在 ecx 寄存器。
• 第3个参数放置在 edx 寄存器。
• 第4个参数放置在 esi 寄存器。
• 第5个参数放置在 edi 寄存器。
• 第6个参数放置在 ebp 寄存器。

而 Linux 进入中断处理程序时，会把这些寄存器的值保存到内核栈中，这样 系统调用 就能通过内核栈来获取到参数。

下面我们通过 sys_open() 系统调用来说明一下 系统调用 的运作方式，sys_open() 实现如下：

asmlinkage long sys_open(const char *filename, int flags, int mode)
{
    ...
}

一般 系统调用 都需要使用 asmlinkage 编译选项，asmlinkage 编译选项是告诉编译器从栈中读取参数，其实际是封装了 GCC 的编译选项，如下：

#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((regparm(0)))

__attribute__((regparm(0))) 就是告诉 GCC 所有参数都从栈中读取，而 Linux 进入中断处理上下文时，会把 ebx、ecx、edx、esi、edi、ebp 寄存器的值保存到内核栈中，那么 系统调用 就可以从内核栈获取到参数的值。

但由于寄存器只能传递 32 位的整型值（x86 CPU），所以参数一般只能传递指针或者整型的数值，如果要获取指针对应结构的数据，就必须通过从用户空间复制到内核空间，如 sys_open() 系统调用获取要打开的文件路径：

asmlinkage long sys_open(const char *filename, int flags, int mode)
{
    char * tmp;
    ...
    tmp = getname(filename);
    ...
}

getname() 函数就是用于从用户空间复制数据到内核空间。