操作系统基础 | 3. 系统调用

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与内核通信

系统调用（system call）在硬件和用户空间进程之间提供了一层抽象，这一层有三个主要作用：

  1. 硬件抽象
    系统调用为用户空间提供了统一的硬件接口。例如，应用程序在读写文件时，无需关心底层的磁盘类型、介质类型，甚至文件所在的文件系统类型。

  2. 系统安全与稳定
    有了内核作为中介，内核可以根据权限、用户等标准仲裁资源访问。这防止了应用程序误用硬件、窃取其他进程资源或对系统造成破坏。

  3. 虚拟化与多任务支持
    用户空间与系统其他部分之间有统一的接口，便于实现进程虚拟化和多任务。如果应用能直接访问系统资源，将难以实现多任务和虚拟内存，更无法保证系统的稳定和安全。

在 Linux 中，系统调用是用户空间与内核交互的唯一合法入口（除了异常和陷阱）。即使是设备文件或 /proc 这样的接口，最终也要通过系统调用访问。值得一提的是，Linux 的系统调用数量比大多数系统要少。

API、POSIX 与 C 库

通常，应用程序是基于用户空间的 API（应用程序编程接口）开发的，而不是直接调用系统调用。这很重要，因为 API 与内核实际提供的接口之间不需要一一对应。API 定义了一组供应用程序使用的编程接口，这些接口可以通过一个系统调用实现，也可以通过多个系统调用，甚至完全不依赖系统调用。这样，同样的 API 可以在不同系统上实现，应用程序无需关心底层实现细节。

在 Unix 世界中，最常见的 API 之一是基于 POSIX 标准的。POSIX 是 IEEE 制定的一系列标准，旨在提供基于 Unix 的可移植操作系统标准。Linux 在适用的地方努力兼容 POSIX 和 SUSv3。

POSIX 很好地体现了 API 与系统调用的关系。在大多数 Unix 系统中，POSIX API 与系统调用高度相关，POSIX 标准本身就是参考早期 Unix 系统接口制定的。但有些非 Unix 系统（如 Windows）也提供了 POSIX 兼容库。

C 库的作用

在 Linux 和大多数 Unix 系统中，C 库（如 glibc）部分实现了系统调用接口。C 库不仅实现了标准 C 库，还实现了系统调用接口，是所有 C 程序的基础。由于 C 语言的特性，其他编程语言也可以很方便地调用 C 库。C 库还实现了大部分 POSIX API。

对应用开发者来说，系统调用的细节并不重要，他们只关心 API；而内核只关心系统调用，至于哪些库函数或应用程序会用到这些系统调用，内核并不关心。不过，内核需要保证系统调用的通用性和灵活性，以适应各种用途。

系统调用（Syscalls）

在 Linux 中，系统调用（syscall）通常通过 C 库中定义的函数进行访问。系统调用可以有零个、一个或多个参数（输入），并可能产生一个或多个副作用，例如写文件或将数据复制到指定指针。系统调用还会返回一个 long 类型的值，用于表示成功或错误——通常（但并非总是）负值表示错误，返回值为 0 通常（但也不是总是）表示成功。

当系统调用出错时，C 库会将一个特殊的错误码写入全局变量 errno。可以通过如 perror() 这样的库函数将 errno 转换为可读的错误信息。

系统调用有明确的行为定义。例如，getpid() 系统调用被定义为返回当前进程的 PID。其内核实现大致如下：

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SYSCALL_DEFINE0(getpid) 
{
  return task_tgid_vnr(current); // 返回 current->tgid
}

注：你可能会好奇为什么 getpid() 返回的是 tgid（线程组ID）？在普通进程中，TGID 等于 PID；而在线程中，同一线程组的所有线程 TGID 相同，这样所有线程调用 getpid() 时返回相同的 PID。

需要注意的是，定义只规定了行为，具体实现方式由内核决定，只要结果正确即可。SYSCALL_DEFINE0 是一个宏，用于定义无参数的系统调用（0 表示参数个数）。展开后类似于：

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asmlinkage long sys_getpid(void)
  • asmlinkage 修饰符告诉编译器只从栈上获取参数，这是所有系统调用都需要的修饰符。
  • 返回类型为 long，是为了兼容 32 位和 64 位系统。即使用户空间定义为 int，内核中也返回 long。
  • 命名约定：内核中系统调用的实现函数名为 sys_xxx()，如 getpid() 对应 sys_getpid()。

系统调用号（System Call Numbers）

在 Linux 中，每个系统调用都有唯一的系统调用号（syscall number），用于标识具体的系统调用。用户空间进程执行系统调用时，实际上是通过系统调用号来指定调用哪个系统调用，而不是用名字。

系统调用号非常重要，一旦分配就不能更改，否则已编译的应用程序会出错。同样，如果某个系统调用被移除，其编号也不能被回收，否则旧程序会调用到错误的系统调用。Linux 提供了一个“未实现”系统调用 sys_ni_syscall()，它只返回 -ENOSYS（表示无效系统调用），用于填补被移除或不可用的系统调用号。

内核通过系统调用表（sys_call_table）维护所有已注册的系统调用。在 x86-64 架构下，这个表定义在 arch/i386/kernel/syscall_64.c 文件中，每个有效的系统调用都分配有唯一的编号。

系统调用性能

Linux 的系统调用比许多其他操作系统更快，这部分归功于 Linux 的上下文切换速度快，进入和退出内核的过程非常简洁高效，系统调用处理器和各个系统调用本身也很简单。

系统调用处理器（System Call Handler）

用户空间的应用程序无法直接执行内核代码，也不能直接调用内核空间的方法，因为内核处于受保护的内存空间。如果应用可以直接读写内核地址空间，系统的安全性和稳定性将无法保证。

因此，用户空间的应用程序必须通过某种方式通知内核，让系统切换到内核态，由内核代表应用程序在内核空间执行系统调用。

进入内核的机制

这种通知内核的机制是一种软件中断：即触发一个异常，系统会切换到内核态并执行异常处理程序。在系统调用的场景下，这个异常处理程序就是系统调用处理器（system call handler）。

  • 在 x86 架构上，定义的软件中断号为 128，通过 int $0x80 指令触发。这会导致系统切换到内核态，并执行异常向量 128（即系统调用处理器）。
  • 系统调用处理器的函数名通常为 system_call()，它是与架构相关的代码（如 x86-64 下在 entry_64.S 汇编文件中实现）。
  • 近年来，x86 处理器增加了 sysenter 指令，这是一种比 int $0x80 更快、更专用的进入内核执行系统调用的方法。内核很快就支持了这种方式。
  • 无论采用哪种方式，核心思想都是：用户空间通过异常或陷阱（trap）进入内核。

指定正确的系统调用

仅仅进入内核空间还不够，因为有很多不同的系统调用，它们都是通过相同的方式进入内核的。因此，必须将系统调用号传递给内核。

  • 在 x86 架构上，系统调用号通过 eax 32位寄存器传递。在触发陷阱进入内核前，用户空间会把所需系统调用的编号写入 eax。

  • 系统调用处理器读取 eax 的值，判断其有效性（与 NR_syscalls 比较）。如果编号无效，返回 -ENOSYS 错误；否则，通过系统调用表调用对应的系统调用函数： 

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    call *sys_call_table(,%rax,8)
    > rax和eax均为累加器，区别是rax是64位， eax32位

    这里每个表项 8 字节（64 位），所以用 8 乘以系统调用号定位表项（x86-32 下用 4 乘以系统调用号）。

参数传递

除了系统调用号，大多数系统调用还需要传递一个或多个参数。用户空间必须在陷阱捕获过程中时将参数传递给内核。

  • 最简单的方式是通过寄存器传递参数。在 x86-32 架构下，ebx、ecx、edx、esi、edi 依次存放前五个参数。
  • 如果参数超过五个，则用一个寄存器传递指向用户空间参数数组的指针。
  • 返回值也通过寄存器传递，x86 下写入 eax。

调用系统调用处理器并执行系统调用的流程 

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|    User Space     |         |   Kernel Space    |
|-------------------|         |-------------------|
| Application       |         | Syscall Handler   |
|   call read()     |         |   system_call()   |
|-------------------|         |-------------------|
| C library         |         | sys_read()        |
| read() wrapper    |         |                   |
+-------------------+         +-------------------+

  • 应用程序调用 read()，实际上先调用 C 库的 read() 封装函数。
  • C 库的 read() 封装函数通过软中断（如 int $0x80 或 sysenter）进入内核，调用 system_call()。
  • system_call() 读取系统调用号和参数，查找并调用内核中的 sys_read() 实现。
  • 执行完毕后，返回值通过寄存器传回用户空间，流程反向返回到应用程序。