彻底搞懂系统调用

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-08-28 10:43 278阅读 0赞

在应用程序开发过程中经常会进行IO设备的操作，比如磁盘的读写，网卡的读写，键盘，鼠标的读入等，大多数应用开发人员使用高级语言进行开发，例如C，C++，java，python等，这些高级语言都提供了标准库或者API去操作IO设备，不过标准库或者API最终还是通过系统调用来实现操作IO设备的，系统调用是操作系统提供的，它是操作系统内核的一部分。

系统调用封装了对硬件操作的所有细节，而标准库或者SDK又在系统调用的基础上做了高度抽象的封装和优化，因此使得应用程序开发人员的日子好过多了，开发效率也提高了不少。

**本篇文章主要阐述以下两部分:**

1.什么是系统调用？

2.系统调用的实现？

主要以Linux 操作系统和IA-32处理器举例，高级语言以C语言为例，同时也会掺杂一些其它操作系统和处理器。

# 什么是系统调用？ #

对于现代的操作系统来说，应用程序运行的时候是没有权限去访问系统资源的，操作系统为了防止各类应用程序可能会破坏系统资源，对系统资源做了保护，阻止应用程序直接去访问这些资源，而应用程序又有访问这些系统资源的需求，因此操作系统提供了系统调用，让所有的应用程序统一通过系统调用来访问系统资源，这里所说的系统资源包括文件，网络 ，内存，各类IO设备等。

应用程序可以进行系统调用，也可以调用标准库或者API，一个系统调用的内部有很多的步骤，比如需要进行用户态模式到内核态模式的互相切换。

*这里简单介绍下模式切换，我们知道一个完整的应用程序分为两部分，一部分是应用程序的代码和数据，另一部分是内核的代码和数据，切换模式就是这两部分的分水岭，意味着处理器进入了一个不同的模式，不同的模式就是不同的世界，不同的世界就有不同的权限，而内核态模式就是王者，可以掌握所有的资源，用户态模式只能掌握自己的一亩三分地。*

正如上面所说，系统调用需要进行模式切换，而每个完整的应用程序都有两个栈，一个用户栈，一个内核栈，这两个栈是独立的，用户栈在用户空间，内核栈在内核空间，因此切换模式时，栈也得切换。

因此我们可以将系统调用的执行步骤分为三步：1.执行前的准备工作。2.执行处理程序（处理函数）。3.执行后的善后工作，当然内核模式切换和栈切换就是1和3的工作了，这里的三步都是在内核模式下执行的，如下图所示

![62bd8ed4e909073986a6fd0fbf33e28c.png][]

应用程序直接系统调用步骤

从上图得知，执行一个系统调用很复杂，需要干很多的活，Linux的编译器提供了很多共享库（so文件）来提供系统调用，例如Linux的glibc库就提供了文件操作相关的系统调用，例如下面的代码：

int read(int fd,void *buf,int count);//读文件数据
    int write(int fd,const void *buf,int couint);//写文件数据
    int open(const char * pathname,int flags,mode_t mode);//打开文件

上面的代码只是glibc库中几个比较有代表性的例子，linux操作系统提供了几百个系统调用，这些系统调用分散在各个共享库中，这里就不再阐述。

Windows操作系统提供了API，简称Windows API或者SDK，它不是系统调用而是对系统调用做了二次封装，这些API是由各类DLL（动态链接库）提供的，开发人员导入这些DLL就可以通过Windows API来开发Windows应用程序，因此Widows应用程序执行系统调用的步骤就变成了如下图所示

![99f6d8a2e2917393c8cdf43b08d36903.png][]

Windows应用程序系统调用步骤

正如上文所述，每个操作系统都提供它各自的系统调用，那么写一段C代码怎样能做到跨操作系统呢?答案是C语言标准库，C语言标准库的目的就是让开发人员写一段C代码，这些C代码使用的是C标准库，那么这段代码不需要进行任何修改就可以跨操作系统，前提是经过不同操作系统编译器的编译，C标准库的调用关系如下图

![d3e2d1ca1a08cd4843c5bc39e881eb83.png][]

C标准库

由上图得知，Linux通过共享库直接提供系统调用，而Windows则通过Windows API间接进行提供系统调用，中间增加了一个C标准库，它将不同操作系统之间系统调用标准化，做了二次封装，简化了系统调用的复杂度，提供给应用程序。

标准库也有它的缺点，缺点就是只能取各个操作系统系统调用的交集，这意味着只有操作系统都有的功能才能纳入到标准库，然后有的时候，需要一些操作系统专有的功能时，还得直接进行系统调用或者调用API，这个就会出现跨系统的问题。

对于用标准库开发的应用程序，它的系统调用步骤可以总结如下图

![8dc45497b16c85bec91111af16a95845.png][]

C标准库系统调用

好了，【什么是系统调用】的话题介绍到这里了，下面来看看系统调用具体是怎么实现的。

# 系统调用的实现？ #

上个环节阐述的是【什么是系统调用】以及系统调用的大致步骤，这个环节将以Linux操作系统为例来阐述系统调用的实现原理和细节，当然其它操作系统系统调用的实现原理比较相似，可以举一反三。

主流的操作系统如Linux和Windows是通过中断来实现系统调用的。

以操作系统Linux（2.5以前），处理器为Inter IA-32为例，看看fork这个系统调用是怎么实现的，其它的Linux系统调用类似，整体过程如下图

![94e9a9c3fb94cb01606fde10b5997e47.png][]

*Linux系统调用过程*

**上图为系统调用涉及到的9个步骤，我们逐个看起**

1.应用程序调用linux库提供的fork函数，发起一个fork系统调用，这个系统调用的目的是创建一个子进程，这个子进程拷贝一份父进程的虚拟进程空间。

2.fork函数的第一步就是将2放入寄存器eax,每个系统调用都有一个编号，2就是fork系统调用的编号，eax是默认用于传递系统调用编号的寄存器。

如果系统调用有参数，则将参数传入到如下的寄存器EBX，ECX，EDX，ESI，EDI，EBP，可以看出系统调用最多支持6个参数，fork系统调用没有参数。

fork函数的第二步就是执行中断指令int 0x80,中断指令int用于发送中断信号给处理器，0x80为中断向量号，这个向量号是系统调用中断处理程序专用。

int指令同时也会将模式从用户态切换到内核态，用户栈切换到内核栈，同时会将当前被中断的应用程序，中断时的寄存器内容入栈（SS，ESP，EFLAGS，CS，EIP），这里的入栈指的是入内核栈（每一个应用程序都一个用户栈和内核栈）。

**整体来看，2步骤的汇编代码如下：**

push EAX,2;//设置fork系统调用的系统调用编号
    mov EBX,arg1;//可选，参数1
    mov ECX,arg1;//可选，参数2
    mov EDX,arg1;//可选，参数3
    mov ESI,arg1;//可选，参数4
    mov EDI,arg1;//可选，参数5
    mov EBP,arg1;//可选，参数6
    int 0x80;//发送系统调用中断信号

3.处理器执行完当前的指令后，会检查处理器的中断引脚，发现有中断信号，然后检查状态寄存器（EFLAGS)，发现中断屏蔽IF标志是打开的(系统调用中断信号不会被屏蔽)，处理器根据中断信号，分析出中断向量号，然后根据中断向量号去查找中断描述符表，找到了该中断向量号对应的中断处理程序。

4.操作系统跳转到中断处理程序，然后开始执行中断处理程序，0x80对应的中断处理程序是系统调用中断处理程序（system\_call）。

该中断处理程序首先会将EAX，EBX，ECX，EDX，ESI，EDI，EBP这几个寄存器入栈，之所以入栈，就是为了防止后续的工作覆盖这些寄存器，核心汇编指令如下：

push EAX;
    push EBX;
    push ECX;
    push EDX;
    push ESI;
    push EDI;
    push EBP;

5.系统调用中断处理程序紧接着根据系统调用号(这里就是fork系统调用号即2)，去系统调用表进行查找，可以找到该系统调用号对应的处理程序(也可以叫处理函数),Linux操作系统的系统处理函数一般以sys开头，fork的系统处理函数就是sys\_fork。

6.找到了系统处理函数后，开始执行该函数，处理函数可以从内核栈中获取函数的参数，函数执行完成后，函数的返回值，默认采用EAX寄存器进行返回。

7~8.系统处理函数执行完成后，回到了系统调用中断处理程序，中断处理程序执行iret指令，iret指令负责从内核态切换到用户态，将内核态入栈的寄存器数据出栈到SS，ESP，EFLAGS，CS，EIP这几个寄存器，然后跳转到系统调用处。

9.系统调用fork返回到应用程序。

Linux操作系统(2.5以前)的系统调用实现原理阐述完了，Windows操作系统的系统调用也采用类似的机制，另外要说的是，自从Linux(2.5)以上，处理器Inter 奔腾二代以后，为了提高系统调用的效率，Inter处理器提供了两个指令来进行系统调用的进入和退出即sysenter和sysexit指令。

sysenter指令代替了int中断指令发起系统调用，执行这个指令后，会直接跳转到一个系统调用的处理函数地址处，去执行系统调用，这个处理函数的地址是存储在一个指定的寄存器中，sysenter这个指令也负责模式的切换和应用程序现场寄存器的备份，这一点同int一样，处理函数参数的传递跟以前一样，还是通过寄存器的方式传递，没有变化。

sysexit指令代替了iret恢复指令，它负责模式切换和现场寄存器的恢复，这一点同iret指令相似。

其它的操作系统例如Power PC，AMD的系统调用与Linux(2.5以上)类似，不同的是，它们采用不同的指令来进行模式切换和寄存器备份，参数的传递也是采用寄存器的方式，只是寄存器个数和名称不一样罢了。

*转自：一口Linux 并做整理*

--------------------

**推荐阅读：**

[专辑|Linux文章汇总][Linux]

[专辑|程序人生][Link 1]

[专辑|C语言][C]

[我的知识小密圈][Link 2]

关注公众号，后台回复「**1024**」获取学习资料网盘链接。

**欢迎点赞，关注，转发，在看，您的每一次鼓励，我都将铭记于心~**

[62bd8ed4e909073986a6fd0fbf33e28c.png]: /images/20220828/80a496aff5384c94936b5662310555f1.png
[99f6d8a2e2917393c8cdf43b08d36903.png]: /images/20220828/4a9abff688de43f7b183c0b8ff71117b.png
[d3e2d1ca1a08cd4843c5bc39e881eb83.png]: /images/20220828/bfec2c6e66b945e49e5330e0f96f0b24.png
[8dc45497b16c85bec91111af16a95845.png]: /images/20220828/9865b1e56d664222adbeba5aca98400e.png
[94e9a9c3fb94cb01606fde10b5997e47.png]: /images/20220828/11c6c67d23b0435488861b0d54de1415.png
[Linux]: https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?action=getalbum&album_id=1319528681890709506&__biz=MzA5NTM3MjIxMw==#wechat_redirect
[Link 1]: https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?action=getalbum&album_id=1351786687592202240&__biz=MzA5NTM3MjIxMw==#wechat_redirect
[C]: https://mp.weixin.qq.com/mp/appmsgalbum?action=getalbum&album_id=1377857816341577728&__biz=MzA5NTM3MjIxMw==#wechat_redirect
[Link 2]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NTM3MjIxMw==&mid=2247492044&idx=2&sn=695b9297a39bf2d5a4548a161892d182&chksm=9042f716a7357e003fc6c87cfacb76508df6c06e14fb9f01c54aca3801f456b9ff5b6ce71ef3&scene=21#wechat_redirect