Linux系統(tǒng)調(diào)用的具體實現(xiàn)原理

本文我將基于 ARM 體系結(jié)構角度，從 Linux 應用層例子到內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的整個過程來梳理一遍，講清楚linux系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)原理，這里我們以open系統(tǒng)調(diào)用為例來講解。

在應用層調(diào)用 open 系統(tǒng)調(diào)用時，實際上調(diào)用的是 C 標準庫函數(shù)，具體的代碼如下：

其中，open 函數(shù)的第一個參數(shù)是要打開的文件路徑，第二個參數(shù)則是打開方式（例如只讀、讀寫等）。在這里我們使用了 O_RDONLY 參數(shù)表示只讀。

在 C 標準庫中，open 函數(shù)實際上是通過系統(tǒng)調(diào)用來完成文件的打開操作。接下來，我們來看一下系統(tǒng)調(diào)用的具體實現(xiàn)。

在 ARM 架構的 Linux 內(nèi)核中，系統(tǒng)調(diào)用的處理流程分為以下幾步：

1.應用程序通過 swi 匯編指令觸發(fā)中斷，將 CPU 切換到特權模式。

在 ARM 架構中，每一個系統(tǒng)調(diào)用都對應有一個系統(tǒng)調(diào)用號，比如open系統(tǒng)調(diào)用的號碼就是5，應用程序通過 swi 指令從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，CPU進入特權模式，通過R7寄存器將中系統(tǒng)調(diào)用號傳遞給內(nèi)核。下面是 open 系統(tǒng)調(diào)用的匯編代碼示例：

2.中斷處理程序根據(jù)傳遞的系統(tǒng)調(diào)用號找到對應的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。

內(nèi)核中的系統(tǒng)調(diào)用處理程序是通過一張系統(tǒng)調(diào)用表來實現(xiàn)的，該表包含了所有系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)指針。當中斷處理程序接收到一個系統(tǒng)調(diào)用請求時，它會根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號查找該表，并跳轉(zhuǎn)到相應的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。在 ARM 架構中，系統(tǒng)調(diào)用表存儲在地址為 0x9000 的內(nèi)存位置上。

對于 open 系統(tǒng)調(diào)用，在內(nèi)核中的實現(xiàn)代碼為 sys_open() 函數(shù)，其定義在 fs/open.c 文件中。在 ARM 架構中，sys_open() 函數(shù)的函數(shù)指針存儲在系統(tǒng)調(diào)用表的第 5 個位置上。

3.將用戶空間的參數(shù)復制到內(nèi)核空間，并在系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)中進行相應的操作。

在 ARM 架構中，內(nèi)核將用戶空間和內(nèi)核空間分開，以確保用戶空間的數(shù)據(jù)不會被惡意程序修改。因此，在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用之前，內(nèi)核需要將用戶空間的數(shù)據(jù)復制到內(nèi)核空間。對于 open 系統(tǒng)調(diào)用，它的參數(shù)包括文件名和標志，這些參數(shù)都需要從用戶空間復制到內(nèi)核空間。

在內(nèi)核中，copy_from_user() 和 copy_to_user() 函數(shù)用于從用戶空間復制數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間和從內(nèi)核空間復制數(shù)據(jù)到用戶空間。對于 open 系統(tǒng)調(diào)用，它需要從用戶空間復制文件名和標志，并將它們傳遞給 sys_open() 函數(shù)進行處理。下面是 sys_open() 函數(shù)的代碼示例：

4.將處理結(jié)果返回給用戶空間，并將 CPU 切換回用戶模式。

在 ARM 架構中，系統(tǒng)調(diào)用的返回值通過 r0 寄存器傳遞給應用程序。對于 open 系統(tǒng)調(diào)用，它的返回值為文件描述符，即打開文件的句柄。如果打開文件成功，則返回一個非負整數(shù)，表示新的文件描述符；否則，返回一個負數(shù)，表示錯誤代碼。

在 sys_open() 函數(shù)中，如果成功打開文件，則將文件描述符安裝到當前進程的文件描述符表中，并返回該文件描述符。否則，返回錯誤代碼。下面是 open 系統(tǒng)調(diào)用的匯編代碼示例：

最后，當處理完 open 系統(tǒng)調(diào)用后，中斷處理程序?qū)?CPU 切換回用戶模式，將處理結(jié)果返回給應用程序。