系统调用的完全解析

一、概述
     系统调用是操作系统为在用户态运行的进程与硬件设备（如CPU、磁盘、打印机等）进行交互提供的一组接口。系统调用作为一种接口，通过系统调用，应用程序能够进入操作系统内核，从而使用内核提供的各种资源，比如操作硬件（如磁盘等）。
二、系统调用与API的区别
   （1）API只是一个函数的定义，说明了如何获取一个给定的服务，只是一个提供给应用程序的接口，一组函数，是与程序员进行直接              交互的。而系统调用不是与程序 员进行交互，而是根据API函数，通过一个软中断机制向内核提交请求，以获取               内核              服务的一个接口。

 （2）API不一定是与系统调用一一对应的，有可能一个API对应多个系统调用，但是也   有可能API不与任何系统调用对应（这个时候  的API将不会完成内核服务，只提供   用户态的服务）。即：要完成内核服务则必须要经过系统调用。

    （3）系统调用属于内核，而用户态的API则不属于内核。
三、系统调用从用户态进入内核态和系统调用退出内核态的方法
     （1）进入内核态的方法：a、执行int $ox80汇编指令（这种方式在内核的入口是system_call（）函数），在老的linux内核中，这是从用户态切换到内核态的唯一方法。b、执行sysenter汇编指令（这种方式在内核中的入口是sysenter_entry（）函数）。也就是说：system_call（）函数和sysenter_entry（）函数是linux中所有系统调用的公共入口点。
     （2）退出内核态的方法：a、执行iret汇编语言指令。b、执行sysexit汇编指令。
四、系统调用的过程
   以下以read系统调用为例来进行说明。
   在用户空间，read()函数的声明位于#include，原型为：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)。下面是read()函数在用户空间的定义的伪代码：

1 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)  

2 {  

3 long res;  

4 %eax = __NR_read  

5 %ebx = fd  

6 %ecx = (long)buf  

7 %edx= count  

8 int $0x80  

9 res = %eax 

10 return res; 

11 }

      第4行，用eax寄存器保存read()的系统调用号，在在内核代码中的如下路径：/arch/x86/include/asm/unistd_32.h里定义了内核中所有系统调用号有关的宏（#define __NR_read  3）；第5～7行，分别将三个参数放入三个寄存器（通过寄存器来传递参数）；第8行，执行系统调用，进入内核；第9行，获取eax寄存器所保存的函数返回值。 

    执行第8行后已经进入了系统内核，由于这是一个中断，因此程序进入到中断向量表中记录0x80号的中断处理程序，中断向量表的初始化在内核代码中的路径：/arch/x86/kernel/traps.c中定义：

1 void __init trap_init(void) 

2 {  

3 ...................  

4  

5  #ifdef CONFIG_X86_32  

6       set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);  

7  set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);  

8 #endif  

9 ................... 

10 }

    如第6行所示。SYSCALL_VECTOR是系统调用的中断号，在/arch/x86/include/asm/irq_vectors.h中定义： 

1 #ifdef CONFIG_X86_32 

2 # define SYSCALL_VECTOR 0x80 

3 #endif

  正好是0x80。而system_call是系统调用的中断处理函数指针，用户执行int $0x80后会执行到这个函数，它在/arch/x86/kernel/entry_32.S中定义：

 
1 ENTRY(system_call)  
2 RING0_INT_FRAME           # can't unwind into user space anyway  
3  pushl_cfi %eax            # save orig_eax  
4  SAVE_ALL  
5  GET_THREAD_INFO(%ebp)  
6  # system call tracing in operation / emulation  
7  testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)  
8  jnz syscall_trace_entry  
9  cmpl $(nr_syscalls), %eax 
10  jae syscall_badsys 
11 syscall_call: 
12  call *sys_call_table(,%eax,4) 
13  movl %eax,PT_EAX(%esp)        # store the return value
...........

	第4行，SAVE_ALL是一个宏，也在这个文件里定义：

 

1 .macro SAVE_ALL  
2 cld  
3  PUSH_GS  
4  pushl_cfi %fs  
5 /*CFI_REL_OFFSET fs, 0;*/  
6  pushl_cfi %es  
7 /*CFI_REL_OFFSET es, 0;*/  
8  pushl_cfi %ds  
9 /*CFI_REL_OFFSET ds, 0;*/ 
10  pushl_cfi %eax 
11 CFI_REL_OFFSET eax, 0 
12  pushl_cfi %ebp 
13 CFI_REL_OFFSET ebp, 0 
14  pushl_cfi %edi 
15 CFI_REL_OFFSET edi, 0 
16  pushl_cfi %esi 
17 CFI_REL_OFFSET esi, 0 
18  pushl_cfi %edx 
19 CFI_REL_OFFSET edx, 0 
20  pushl_cfi %ecx 
21 CFI_REL_OFFSET ecx, 0 
22  pushl_cfi %ebx 
23 CFI_REL_OFFSET ebx, 0 
24  movl $(__USER_DS), %edx 
25  movl %edx, %ds 
26  movl %edx, %es 
27  movl $(__KERNEL_PERCPU), %edx 
28  movl %edx, %fs 
29  SET_KERNEL_GS %edx 
30 .endm
  

	



	主要作用就是将各个寄存器压入栈中。 


	第9行，比较eax的值是否大于等于nr_syscalls，nr_syscalls是比最大有效系统调用号大1的值，在/arch/x86/kernel/entry_32.S中定义：

 

1 #define nr_syscalls ((syscall_table_size)/4)
  

	



	其中syscall_table_size就是系统调用表的大小（单位：字节），syscall_table_size其实是一个数组，数组里存放的是各个系统调用函数的地址，元素类型是long型，除以4刚好是系统调用函数的个数。 


	如果从eax寄存器传进来的系统调用号有效，那么就执行第12行，在系统调用表里找到相应的系统调用服务程序，sys_call_table在/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S中定义：

 

1 ENTRY(sys_call_table) 
  
2 .long sys_restart_syscall    /* 0 - old "setup()" system call, used for restarting */ 
  
3  .long sys_exit 
  
4  .long ptregs_fork 
  
5  .long sys_read 
  
6  .long sys_write 
  
7 .long sys_open        /* 5 */ 
  
8  .long sys_close 9 .................
  

	


  
*sys_call_table(,%eax,4)指的是sys_call_table里偏移量为%eax*4上的那个值指向的函数，这里%eax=3，那么第5行的sys_read()函数就会被调用。sys_read()在/fs/read_write.c中定义：
  
 
1 SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)  
2 {  
3 struct file *file;  
4 ssize_t ret = -EBADF;  
5 int fput_needed;  
6  
7 file = fget_light(fd, &fput_needed); 
 8 if (file) {  
9 loff_t pos = file_pos_read(file); 
10 ret = vfs_read(file, buf, count, &pos); 
11  file_pos_write(file, pos); 
12  fput_light(file, fput_needed); 
13  } 
14 
15 return ret; 
16 }
    这就是read系统调用进入内核的所有的步骤。


这篇博客主要是参考了http://www.cnblogs.com/lknlfy/archive/2012/07/14/2591366.html这个博客。这个博客对系统调用进行了很详细的讲解。
接下来的工作就是学习怎么实现自己的系统调用。