Linux系统调用FAQ

1． Linux系统调用的作用？

系统调用是操作系统为用户态运行的进程与系统内核、硬件设备（如CPU、磁盘、打印机等）进行交互提供的一组接口，在应用程序和硬件之间设置一个额外层的优点包括：

1.         用户编程更加简单，不必学习硬件设备的低级编程特性；

2.         提高了系统的安全性，内核在试图满足某个请求前在接口级可以检查请求正确性。

3.         这组接口使得程序具有可移植性，只要内核所提供的接口相同，使用这些接口的        程序即可正确的编译和执行。

2． POSIX API与系统调用的关系？

1.         API是函数定义（如libc库），而系统调用是通过软中断想内核态发出的请求；

2.         一个API没有必要对应一个特定的系统调用。API可能直接提供用户态服务，如数学函数；有些API函数可能调用几个系统调用；几个API函数可能调用同一系统调用（如malloc，calloc，free均使用brk系统调用实现）。

3.         POSIX标准针对API而不是针对系统调用，判断一个系统是否与POSIX兼容，要看它是否提供了一组合适的API。

4.         从应用程序设计者的角度看，两者的差别仅在于名字、参数、返回值的不同；从内核设计者的角度看，系统调用属于内核，而API不属于内核。

 

3． 内核如何处理系统调用？

1.         每一个系统调用拥有一个系统调用号的标识，当用户态请求系统调用时，需传递系统调用号及其它信息作为参数，eax寄存器用于传递系统调用号（同时也用于传递返回值，系统调用号与返回值类型相同）。内核从寄存器读到系统调用的参数，并执行对应的系统调用服务例程。

2.         下图显示了应用程序、相应的封装例程、系统调用处理程序、系统调用服务例程之间的关系。xyz()是应用程序的调用接口，xyz在libc中的调用实现通过调用SYSCALL汇编指令实现，该指令使得CPU切换到内核态（SYSEXIT反之）；内核态通过sys_call系统调用处理程序来最终调用xyz的服务例程sys_xyz()。

   

3.         为了将系统调用号与相应的服务例程关联起来，内核利用一个系统调用分派表，该表存放在sys_call_table数组中，有NR_syscalls个表项，第n个表项包含系统调用号为n的服务例程的地址。

 

 

4． 如何进入和退出系统调用？

本地应用可以通过两种方式调用系统调用:

1.         执行int $0x80汇编语言指令（老版本linux中从用户态切换到内核态的唯一方式）

2.         执行sysenter汇编语言指令，Intel Pentium II微处理器引入该指令，linux2.6内核支持这条指令。

同样，内核可通过两种方式从系统调用退出，使CPU切换回到用户态：

1.         执行iret汇编语言指令

2.         执行sysexit汇编语言指令

对以上两种方式涉及到汇编代码，我也解释不太清楚，更详细的了解，请参考《深入理解linux内核》。

 

5． 系统调用参数如何传递？

1.         普通C函数的参数传递是通过把参数值写入到活动的程序栈（用户态或内核态堆栈）实现的，而系统调用同时跨越内核态和用户态，同时操作两个栈是很复杂的，而采用下面的方式（寄存器传递参数）将使得系统调用处理程序与其它异常处理程序的结构类似。

2.         在发出系统调用之前，系统调用的参数被写入到CPU的寄存器，然后在调用系统服务例程之前，内核再把存放在CPU中的参数拷贝到内核态堆栈（系统调用服务例程是普通的C函数）。

3.         使用寄存器传递参数必须满足：每个参数的长度不能超过寄存器的长度（容易解决，长度不够，可以通过传递参数的地址解决），并且参数的个数不能超过6个（系统调用号除外），因为80x86处理器的寄存器的数量是有限的（用于存放调用号和调用参数的寄存器是eax、ebx、ecx、edx、esi、edi、ebp）。

 

6． 如何保证系统调用的安全性？

内核在满足用户的系统调用请求前，必须仔细的检查所有的系统调用参数，如write系统调用的参数fd，内核需检查fd是否对应于一个打开的文件，该文件是否允许写操作等，这些检查操作依赖于系统调用本身，也依赖于特定的参数。但有一种检查对所有的系统调用是通用的，只要参数指定的是地址，内核必须检查它是否属于用户地址空间，可通过检查地址所在的线性区，或直接与PAGE_OFFSET对比等两种方式实现（linux2.2开始实现第二种方式）。

 

7． 内核如何访问用户态数据？

系统调用服务例程需要非常频繁的读写进程地址空间的数据，Linux提供一组宏来实现这个目的（__开头的宏不包含对线性地址的有效性检查）。

get_user  __get_user   从用户空间读一个整数（1、2或4个字节）

put_user  __put_user   向用户空间写一个整数（1、2或4个字节）

copy_from_user __copy_from_user  从用户空间复制任意大小的块

copy_to_user  __copy_to_user  把任意大小的块复制到用户空间

strncpy_from_user  __strncpy_from_user  从用户空间复制一个以null结束的字符串

strlen_user  strnlen_user  返回用户空间以null结束的字符串的长度

clear_user __clear_user 用0填充用户空间的一个内存区域

 

8． 在内核态能否调用系统调用？

尽管系统调用主要由内核态进程使用，但也可以被内核线程调用，内核线程不能使用库函数。linux定义了7个从_syscall0到_syscall6的一组宏来封装相应例程，宏名中的数字0-6对应着系统调用所用的参数个数（系统调用号除外）。每个宏需要2 + 2 * n个参数（n为系统调用参数的个数），前两个参数是系统调用号返回值类型和名字；每一对附加参数指明相应的系统调用参数的类型和名字。