系統(tǒng)調(diào)用具體是如何實(shí)現(xiàn)的

系統(tǒng)調(diào)用就是調(diào)用操作系統(tǒng)提供的一系列內(nèi)核功能函數(shù)，因?yàn)閮?nèi)核總是對(duì)用戶程序持不信任的態(tài)度，一些核心功能不能直接交由用戶程序來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行。用戶程序只能發(fā)出請(qǐng)求，然后內(nèi)核調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)核函數(shù)來幫著處理，將結(jié)果返回給應(yīng)用程序。如此才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。本文采用 的實(shí)例來講解系統(tǒng)調(diào)用具體是如何實(shí)現(xiàn)的。

系統(tǒng)調(diào)用是給用戶態(tài)下的程序使用的，但是用戶程序并不直接使用系統(tǒng)調(diào)用，而是系統(tǒng)調(diào)用在用戶態(tài)下的接口。這個(gè)用戶接口就是操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用 ，一般遵循 標(biāo)準(zhǔn)。

的系統(tǒng)調(diào)用是用 INT n 指令實(shí)現(xiàn)的，INT n 的作用就是觸發(fā)一個(gè) 號(hào)中斷，中斷的過程應(yīng)該很熟悉了吧，不熟悉的可以看看前文：多處理器下的中斷機(jī)制。 里面系統(tǒng)調(diào)用使用的向量號(hào)是 ， 里面使用的 （不同 版本可能不同）。只要這個(gè)向量號(hào) 不是一些異常使用的，一些保留的和一些外設(shè)默認(rèn)使用的，用多少來表示系統(tǒng)調(diào)用其實(shí)無傷大雅， 要用 ，那就 好了。

上述說的用戶接口就會(huì)執(zhí)行 INT 64 觸發(fā)一個(gè) 號(hào)中斷，這里 做了簡化，按照以前版本的 ，用戶接口是調(diào)用一個(gè)宏定義 ，這個(gè)宏再來執(zhí)行 INT 指令觸發(fā)中斷。關(guān)于這部分可以看看前文：捋一捋系統(tǒng)調(diào)用

執(zhí)行 INT 64 之后， 會(huì)根據(jù)向量號(hào) 去 中索引第 個(gè)門描述符（從 0 計(jì)數(shù)），這個(gè)門描述符中存放的有系統(tǒng)調(diào)用程序的偏移量和段選擇子，再根據(jù)段選擇子去 中索引段描述符，段描述符中記錄的有段基址，與門描述符中記錄的偏移量相加就是系統(tǒng)調(diào)用程序的地址。拿到系統(tǒng)調(diào)用程序的地址，就可以執(zhí)行程序做相應(yīng)的處理了。

可是系統(tǒng)調(diào)用是有很多的，雖然 中實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)調(diào)用沒多少，沒多少也還是有那么一些的，怎么區(qū)別它們呢？這就涉及了系統(tǒng)調(diào)用號(hào)概念，每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都唯一分配了一個(gè)整數(shù)來標(biāo)識(shí)，比如說 里面 系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用號(hào)就為 1。INT 64，表示觸發(fā)一個(gè)中斷向量號(hào)為 64 的中斷，而這個(gè)中斷表示系統(tǒng)調(diào)用，并沒有具體說是哪一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，所以還需要一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)來表示具體的系統(tǒng)調(diào)用。

系統(tǒng)調(diào)用通俗的講就是是用戶態(tài)下的程序托內(nèi)核辦事，既然是托人辦事那得告訴人家你要辦什么事對(duì)吧。這個(gè)告訴人家具體要辦什么事就是要給內(nèi)核傳遞系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，問題是怎么傳呢？通常的做法就是將這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)放進(jìn) 寄存器，當(dāng)執(zhí)行到系統(tǒng)調(diào)用入口程序的時(shí)候就會(huì)根據(jù) eax 的值去調(diào)用具體的系統(tǒng)調(diào)用程序，比如說 中存放的是 1 那么就會(huì)去調(diào)用 這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的相關(guān)函數(shù)。這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的入口程序可以理解為在第 個(gè)門描述符中記錄的程序，因?yàn)榭隙ㄊ且雀鶕?jù)向量號(hào)拿到總的中斷服務(wù)程序（在這兒就是總的系統(tǒng)調(diào)用程序），然后再根據(jù) 的值去調(diào)用的具體的內(nèi)核功能函數(shù)。

上面只是說的一般的大致情況，如果看過前文多處理器下的中斷機(jī)制應(yīng)該知道， 對(duì)所有中斷（包括系統(tǒng)調(diào)用）的處理是先執(zhí)行共同的中斷入口程序，主要就是保護(hù)現(xiàn)場壓棧寄存器，然后根據(jù)向量號(hào)的不同執(zhí)行不同的中斷處理程序。在這里就是執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用入口程序，然后再根據(jù) 的值調(diào)用具體的內(nèi)核功能函數(shù)。

這個(gè)具體的內(nèi)核功能函數(shù)咱們就不討論了，內(nèi)核中的表現(xiàn)形式就是一個(gè)個(gè)不同的函數(shù)，咱們這兒只討論兩件事：

一是參數(shù)，有些系統(tǒng)調(diào)用的是需要參數(shù)的，用戶接口不真正干活，真正干活的是內(nèi)核功能函數(shù)，但是需要的參數(shù)在用戶態(tài)下，所以需要在用戶接口部分向內(nèi)核傳遞參數(shù)。傳參有兩種方法：

直接傳給寄存器，寄存器是通用的，在用戶態(tài)將值傳給寄存器，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)之后就可以直接使用，這可以使用內(nèi)聯(lián)匯編來實(shí)現(xiàn)。

壓棧，壓棧有個(gè)問題，系統(tǒng)調(diào)用使用中斷/陷阱來實(shí)現(xiàn)，這期間會(huì)換棧，在用戶態(tài)下壓棧的參數(shù)對(duì)內(nèi)核來說似乎沒什么用處。所以要想使用用戶態(tài)下棧中的參數(shù)，必須要獲得用戶棧的地址，這個(gè)值在哪呢？沒錯(cuò)，在內(nèi)核棧中的上下文保存著，從內(nèi)核棧中取出用戶棧的棧頂 值，就可以取到系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)了， 就是這樣實(shí)現(xiàn)的。

二是返回值，函數(shù)的調(diào)用約定中規(guī)定了返回值應(yīng)該放在 寄存器里面。而在系統(tǒng)調(diào)用的一開始我們將系統(tǒng)調(diào)用號(hào)傳進(jìn)了 寄存器，然后中斷時(shí)保存上下文，將 壓入內(nèi)核棧，系統(tǒng)調(diào)用處理程序?qū)⒆詈蠼Y(jié)果放到 寄存器中。下面注意了，如果不對(duì)上下文中的 作修改的話，中斷退出的時(shí)候恢復(fù)上下文彈出 ，彈出的值是啥？是系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，也就是說將結(jié)果放到 寄存器中放了個(gè)寂寞，所以肯定會(huì)有一個(gè)步驟修改上下文中 為結(jié)果這么一個(gè)步驟，這樣回到用戶態(tài)的時(shí)候這個(gè)結(jié)果才會(huì)在 寄存器中。

上述差不多將系統(tǒng)調(diào)用的一些理論知識(shí)說完了，下面用 的實(shí)例來看看系統(tǒng)調(diào)用具體如何實(shí)現(xiàn)的。

首先便是用戶接口部分，用戶接口是操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用 函數(shù)，一般是 標(biāo)準(zhǔn)， 關(guān)于這用戶接口定義在 中，來隨便看兩個(gè)：

int fork（void）;

int write（int， const void*， int）;

這只是對(duì)函數(shù)原型的聲明。具體做了什么事呢？這個(gè)定義在 中：

#include “syscall.h”

#include “traps.h”

#define SYSCALL（name）

.globl name;

name：

movl $SYS_ ## name， %eax;

int $T_SYSCALL;

ret

SYSCALL（fork）

SYSCALL（write）

SYSCALL（getpid）

這是用匯編來寫的，而且使用了宏定義，我們來仔細(xì)閱讀一下這段代碼

.global name 聲明了一個(gè)全局可見的名字，可以是變量也可以是函數(shù)名，這里就與用戶接口的函數(shù)名。函數(shù)名就相當(dāng)于一個(gè)地址，name： 后面的代碼就是這個(gè)函數(shù)具體要做的事，就像 c 語言編寫函數(shù)時(shí)的函數(shù)體，只不過這里是用匯編寫的而已。

所以這個(gè)函數(shù)做了什么事？應(yīng)該一目了然啊，就三條指令：

movl $SYS_ ## name， %eax 將系統(tǒng)調(diào)用號(hào)傳到寄存器

int $T_SYSCALL 觸發(fā) 號(hào)中斷

ret 函數(shù)返回

這里還使用了一些宏定義，首先是系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，定義在 當(dāng)中，隨便看幾個(gè)意思一下：

#define SYS_fork 1#define SYS_getpid 11#define SYS_write 16

這個(gè)號(hào)就是自定義的，能夠?qū)⒚總€(gè)系統(tǒng)調(diào)用唯一區(qū)分開就好。

上面的宏定義中還涉及了 # 的用法，# 一般有兩種用法：

#define STR（x） #x#define CAT（x， y） x##y

一個(gè) # 表示字符串化，如果 為 abc，則結(jié)果為 “abc”

兩個(gè) ## 表示連接符，如果 為 ab， 為 cd，則結(jié)果為 abcd

所以上述 SYS_ ## name，如果 為 ，那么結(jié)果就是 SYS_fork，表示 的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)。

代表的系統(tǒng)調(diào)用的向量號(hào)， 版本不同，這個(gè)數(shù)可能不同，我這兒是 ，所以 int $T_SYSCALL 相當(dāng)于觸發(fā)了一個(gè) 號(hào)中斷。

接著就應(yīng)該是中斷的處理過程，這一塊在前文多處理器下的中斷機(jī)制已經(jīng)講述的很詳細(xì)了，而且還有過程圖，本文就不再贅述。本文重點(diǎn)講述執(zhí)行了通用的中斷入口程序之后如何執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用分支的，如何獲取用戶棧的參數(shù)，如何修改上下文中的 使其返回正確的結(jié)果。

問題很多，咱們一個(gè)一個(gè)來解決，首先從 IDT， GDT 中獲取到中斷入口程序的地址之后，執(zhí)行中斷入口程序壓棧寄存器來保存上下文，這個(gè)上下文中包括了向量號(hào)。

保存了上下文之后跳到 這個(gè)總的中斷處理程序，這個(gè)程序中會(huì)根據(jù)向量號(hào)不同去執(zhí)行不同的中斷處理程序，如果向量號(hào)表示的是系統(tǒng)調(diào)用的話，就會(huì)進(jìn)行如下操作：

void trap（struct trapframe *tf）

{

if（tf-》trapno == T_SYSCALL）{ //如果向量號(hào)表示的是系統(tǒng)調(diào)用

if（myproc（）-》killed）

exit（）;

myproc（）-》tf = tf; //當(dāng)前進(jìn)程的中斷棧幀

syscall（）; //執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用入口程序

if（myproc（）-》killed）

exit（）;

return;

}

/*******略略略略********/

}

可以看到，如果中斷棧幀中的向量號(hào)表示的是系統(tǒng)調(diào)用號(hào)的話，就會(huì)去執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用入口程序。

這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用入口程序定義在 里面：

void syscall（void）

{

int num;

struct proc *curproc = myproc（）; //獲取當(dāng)前進(jìn)程的PCB

num = curproc-》tf-》eax; //獲取系統(tǒng)調(diào)用號(hào)

if（num 》 0 && num 《 NELEM（syscalls） && syscalls［num］） {

curproc-》tf-》eax = syscalls［num］（）; //調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù)，返回值賦給eax

} else {

cprintf（“%d %s： unknown sys call %d

”，

curproc-》pid， curproc-》name， num）;

curproc-》tf-》eax = -1;

}

}

這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的入口函數(shù)的作用就是根據(jù)中斷棧幀中的系統(tǒng)調(diào)用號(hào)去調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)核功能函數(shù)，然后將返回值再填寫到棧幀中的 處。

這個(gè)流程整個(gè)邏輯應(yīng)該是很清晰的，主要注意一點(diǎn)，調(diào)用內(nèi)核功能函數(shù)的方式：syscalls［num］（） ， 是系統(tǒng)調(diào)用號(hào)， 看形式應(yīng)該是個(gè)數(shù)組，從這里其實(shí)應(yīng)該就能猜出來了， 將所有具體的系統(tǒng)調(diào)用處理函數(shù)地址按照系統(tǒng)調(diào)用號(hào)的順序集合成了一個(gè)數(shù)組。事實(shí)也的確如此，同樣的來隨便看幾個(gè)：

extern int sys_fork（void）;

extern int sys_getpid（void）;

extern int sys_write（void）;

static int （*syscalls［］）（void） = {

［SYS_fork］ sys_fork，

/**********************/

［SYS_getpid］ sys_getpid，

/**********************/

［SYS_write］ sys_write，

/***********************/

}

extern int sys_fork（void）; 表示具體的 這個(gè)內(nèi)核的功能函數(shù)，這個(gè)函數(shù)才是真正干事的，它在外面定義，所以用了 ，至于具體這個(gè)函數(shù)干了什么事，在本文不重要，本文主要事了解系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)流程，后面講述進(jìn)程的時(shí)候再具體講述這個(gè)函數(shù)，或者前面寫過一篇關(guān)于 的文章：使用分身術(shù)變身術(shù)創(chuàng)建新進(jìn)程

接下來是定義了一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，就是將上述函數(shù)地址填到數(shù)組相應(yīng)的位置上。［SYS_fork］ sys_fork 這種填充數(shù)組元素的方式似乎不太常見，但在這里就非常實(shí)用，表示將 這個(gè)函數(shù)的地址填寫到索引為 的位置上去。

關(guān)于系統(tǒng)調(diào)用還剩下最后一個(gè)問題，根據(jù)上述內(nèi)核中具體的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)原型可以看出，它們的返回類型都是 型且沒有參數(shù)，但是有些系統(tǒng)調(diào)用是需要參數(shù)的，所以那些需要參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用就要去獲取參數(shù)，去哪獲取呢？是的，去用戶棧獲取參數(shù)，因?yàn)?沒有使用寄存器來傳參，而是將參數(shù)直接壓入用戶棧里面的。

回到系統(tǒng)調(diào)用的開頭，何時(shí)將參數(shù)壓棧的，參數(shù)是為被調(diào)用函數(shù)準(zhǔn)備的，所以調(diào)用函數(shù)之前一定會(huì)將參數(shù)壓棧。這個(gè)被調(diào)用函數(shù)就是用戶接口，舉個(gè)例子如果調(diào)用 ，則在這之前一定會(huì)將參數(shù) 按照這個(gè)順序壓棧，再 調(diào)用函數(shù)，只是在 語言中這個(gè)過程可能看起來不是那么真切，如果是用匯編來寫，或者查看編譯之后的程序，會(huì)有下面的大致過程：

push size

push buf

push fd

call write

在 call wirte 之后又會(huì)將下條指令地址壓棧當(dāng)作放回地址， （用戶接口） 又做了三件事，傳系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，int T_SYSCALL， ret 返回。int T_SYSCALL 之后換棧，用戶棧棧頂 保存在上下文中的 處。

捋清楚這個(gè)關(guān)系之后就知道怎么去拿參數(shù)了，直接去中斷棧幀中獲取用戶棧棧頂值 ，再根據(jù)參數(shù)返回地址的位置關(guān)系獲取一個(gè)個(gè)參數(shù)，來看 中有關(guān)獲取參數(shù)的幾個(gè)函數(shù)：

int argint（int n， int *ip） //獲取系統(tǒng)調(diào)用的第n個(gè)int型的參數(shù)，存到ip這個(gè)位置

{

return fetchint（（myproc（）-》tf-》esp） + 4 + 4*n， ip）; //原棧中獲取n個(gè)int型參數(shù)，加4是跳過

}

int fetchint（uint addr， int *ip）

{

struct proc *curproc = myproc（）;

if（addr 》= curproc-》sz || addr+4 》 curproc-》sz）

return -1;

*ip = *（int*）（addr）;

return 0;

}

這是獲取一個(gè) t 型的參數(shù)，（myproc（）-》tf-》esp） + 4 + 4*n 表示第 個(gè)參數(shù)（ 型） 的位置，多加了一個(gè) 是因?yàn)橐^返回地址 字節(jié)。然后調(diào)用 ） 去取參數(shù)，核心語句就一句：*ip = *（int*）（addr）; 將這個(gè)地址轉(zhuǎn)化為 型再解引用放在地址 上，說著有些繞口，自己看一下應(yīng)該還是很好明白的。至于這個(gè)函數(shù)中關(guān)于進(jìn)程部分的一些條件檢查，現(xiàn)下可以不予理會(huì)。

int argptr（int n， char **pp， int size）

{

int i;

struct proc *curproc = myproc（）;

if（argint（n， &i） 《 0）

return -1;

if（size 《 0 || （uint）i 》= curproc-》sz || （uint）i+size 》 curproc-》sz）

return -1;

*pp = （char*）i;

return 0;

}

這個(gè)函數(shù)用來獲取一個(gè)指針，指針就是地址，地址就是一個(gè) 位無符號(hào)數(shù)，所以調(diào)用前面的 來獲取這個(gè)數(shù)存到 中，這個(gè) 本身其實(shí)是個(gè)地址值，所以將其轉(zhuǎn)化 類型，然后賦值給 。

注意這里使用的是二級(jí)指針，為什么要使用二級(jí)指針，我們來看看如果使用一級(jí)指針會(huì)發(fā)生什么，如果這個(gè)函數(shù)是這樣：

int argptr（int n， char *pp， int size） //pp類型變?yōu)閏har*

{

int i;

/*********************/

if（argint（n， &i） 《 0）

return -1;

/*********************/

pp = （char*）i; //這里變?yōu)橹苯咏opp賦值

return 0;

}

如果這個(gè)函數(shù)變成這樣還對(duì)嗎，答案是不對(duì)的。舉個(gè)例子來說明，在 這個(gè)內(nèi)核功能函數(shù)中會(huì)調(diào)用 ：

char *p;

argptr（1， &p， n）;

/**如果用一級(jí)指針**/

argptr（1， p， n）;

調(diào)用 的本意是獲取第一個(gè)參數(shù)，也就是用戶接口 的 地址值，并將其賦給 。

假如 等于某個(gè)地址 ，如果使用一級(jí)指針：調(diào)用 argptr（1， p， n）; int argptr（int n， char *pp， int size），這個(gè) 是實(shí)參， 是形參，，雖然 和 的值相等，但它們兩個(gè)是兩個(gè)不同的變量，所以如果修改 ， 的值是不會(huì)變化的，因此使用一級(jí)指針就不對(duì)。

如果使用的是二級(jí)指針，調(diào)用 argptr（1， &p， n）; int argptr（int n， char **pp， int size）。實(shí)參是 的地址， 本身就是個(gè)地址值，所以 ，修改 就是 。嗯這下就對(duì)了，所以這里要使用二級(jí)指針才對(duì)頭。

還有個(gè)獲取字符串的函數(shù)，跟獲取指針差不了太多，只是多了一個(gè)算字符串長度的步驟，這里就不贅述了。

這是以 write 系統(tǒng)調(diào)用為例的系統(tǒng)調(diào)用過程圖，圖是丑了點(diǎn)，不過這條線應(yīng)該捋得還是挺清晰的，好啦，本文就到這里，有什么錯(cuò)誤還請(qǐng)批評(píng)指正，也歡迎大家來同我討論交流學(xué)習(xí)進(jìn)步。

責(zé)任編輯：haq