详解linux系统调用原理
操作系统通过系统调用为运行于其上的进程提供服务。
当用户态进程发起一个系统调用, CPU 将切换到 内核态 并开始执行一个 内核函数 。 内核函数负责响应应用程序的要求,例如操作文件、进行网络通讯或者申请内存资源等。
举一个最简单的例子,应用进程需要输出一行文字,需要调用 write 这个系统调用:
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
读者可能会有些疑问――输出文本不是用 printf 等函数吗?
确实是。 printf 是更高层次的库函数,建立在系统调用之上,实现数据格式化等功能。 因此,本质上还是系统调用起决定性作用。
调用流程
那么,在应用程序内,调用一个系统调用的流程是怎样的呢?
我们以一个假设的系统调用 xyz 为例,介绍一次系统调用的所有环节。
如上图,系统调用执行的流程如下:
- 应用程序 代码调用系统调用( xyz ),该函数是一个包装系统调用的 库函数 ;
- 库函数 ( xyz )负责准备向内核传递的参数,并触发 软中断 以切换到内核;
- CPU 被 软中断 打断后,执行 中断处理函数 ,即 系统调用处理函数 ( system_call );
- 系统调用处理函数 调用 系统调用服务例程 ( sys_xyz ),真正开始处理该系统调用;
执行态切换
应用程序 ( application program )与 库函数 ( libc )之间, 系统调用处理函数 ( system call handler )与 系统调用服务例程 ( system call service routine )之间, 均是普通函数调用,应该不难理解。 而 库函数 与 系统调用处理函数 之间,由于涉及用户态与内核态的切换,要复杂一些。
Linux 通过 软中断 实现从 用户态 到 内核态 的切换。 用户态 与 内核态 是独立的执行流,因此在切换时,需要准备 执行栈 并保存 寄存器 。
内核实现了很多不同的系统调用(提供不同功能),而 系统调用处理函数 只有一个。 因此,用户进程必须传递一个参数用于区分,这便是 系统调用号 ( system call number )。 在 Linux 中, 系统调用号 一般通过 eax 寄存器 来传递。
总结起来, 执行态切换 过程如下:
- 应用程序 在 用户态 准备好调用参数,执行 int 指令触发 软中断 ,中断号为 0x80 ;
- CPU 被软中断打断后,执行对应的 中断处理函数 ,这时便已进入 内核态 ;
- 系统调用处理函数 准备 内核执行栈 ,并保存所有 寄存器 (一般用汇编语言实现);
- 系统调用处理函数 根据 系统调用号 调用对应的 C 函数―― 系统调用服务例程 ;
- 系统调用处理函数 准备 返回值 并从 内核栈 中恢复 寄存器 ;
- 系统调用处理函数 执行 ret 指令切换回 用户态 ;
编程实践
下面,通过一个简单的程序,看看应用程序如何在 用户态 准备参数并通过 int 指令触发 软中断 以陷入 内核态 执行 系统调用 :
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
这是一个汇编语言程序,程序入口在 _start 标签之后。
第 12 行,准备 系统调用号 :将常数 4 放进 寄存器 eax 。 系统调用号 4 代表 系统调用 SYS_write , 我们将通过该系统调用向标准输出写入一个字符串。
第 14-16 行, 准备系统调用参数:第一个参数放进 寄存器 ebx ,第二个参数放进 ecx , 以此类推。
write 系统调用需要 3 个参数:
- 文件描述符 ,标准输出文件描述符为 1 ;
- 写入内容(缓冲区)地址;
- 写入内容长度(字节数);
第 17 行,执行 int 指令触发软中断 0x80 ,程序将陷入内核态并由内核执行系统调用。 系统调用执行完毕后,内核将负责切换回用户态,应用程序继续执行之后的指令( 从 20 行开始 )。
第 20-24 行,调用 exit 系统调用,以便退出程序。
注解
注意到,这里必须显式调用 exit 系统调用退出程序。 否则,程序将继续往下执行,最终遇到段错误( segmentation fault )!
读者可能很好奇――我在写 C 语言或者其他程序时,这个调用并不是必须的!
这是因为 C 库( libc )已经帮你把脏活累活都干了。
接下来,我们编译并执行这个汇编语言程序:
$ 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!
其实,将 系统调用号 和 调用参数 放进正确的 寄存器 并触发正确的 软中断 是个重复的麻烦事。 C 库已经把这脏累活给干了――试试 syscall 函数吧!
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; }