Linux从头学13：想彻底搞懂系统调用的底层原理？建议您别错过这篇调用门

2023-10-15 12:02:31

导语

在之前的文章《Linux从头学10：三级跳过程详解 - 从bootloader到操作系统，再到应用程序》中，我们介绍了操作系统是如何从bootloader加载到内存中并启动的。但是在当时，我们还没有引入特权级的概念，因此用户程序和操作系统都工作在相同的特权级，可以直接通过段选择符来访问内存。

但是在实际的操作系统中，用户程序和操作系统是运行在不同的特权级上的。用户程序运行在用户态，而操作系统运行在内核态。用户态的程序只能访问自己的内存空间，而内核态的程序可以访问整个系统的内存空间。

为了让用户态的程序能够请求操作系统提供服务，就需要一种机制来允许用户态的程序切换到内核态，并执行内核态的代码。这种机制就是系统调用。

系统调用简介

系统调用是一种特殊的函数，它允许用户态的程序请求操作系统提供服务。系统调用的本质是通过一个特定的指令（通常是int 0x80）来触发一个中断，然后操作系统会捕获这个中断并执行相应的服务。

系统调用可以分为两类：

内核调用： 内核调用是直接由操作系统内核提供的服务，例如分配内存、创建进程等。
库调用： 库调用是通过库函数来实现的系统调用，例如printf、scanf等。

调用门机制

调用门是一种特殊的段符，它允许用户态的程序通过特定的指令（通常是int 0x80）来触发一个中断，并跳转到内核态的代码执行。

调用门的结构如下：

struct call_gate {
  unsigned short offset_low;
  unsigned short selector;
  unsigned char count;
  unsigned char access;
  unsigned short offset_high;
};

其中：

offset_low：中断处理程序的低16位偏移量。
selector：中断处理程序所在的段选择符。
count：中断处理程序的长度。
access：中断处理程序的访问权限。
offset_high：中断处理程序的高16位偏移量。

特权级切换

当用户态的程序触发一个系统调用时，CPU会发生特权级切换，从用户态切换到内核态。特权级切换的过程如下：

CPU将当前的段寄存器值压入堆栈。
CPU将调用门的段选择符装入段寄存器。
CPU将调用门的偏移量装入指令指针寄存器。
CPU执行中断处理程序中的代码。

内核态和用户态之间的交互

内核态和用户态之间的交互主要通过系统调用来实现。用户态的程序可以通过系统调用来请求操作系统提供服务，而操作系统可以通过系统调用来向用户态的程序返回结果。

系统调用通常通过中断来实现。当用户态的程序触发一个系统调用时，CPU会发生特权级切换，从用户态切换到内核态。然后，操作系统会执行相应的服务，并通过系统调用返回结果。

如何通过系统调用请求服务

用户态的程序可以通过两种方式来通过系统调用请求服务：

直接调用系统调用指令： 这种方式需要用户态的程序直接调用系统调用指令（通常是int 0x80）。这种方式比较底层，需要用户态的程序了解系统调用的具体实现细节。
通过库函数调用系统调用： 这种方式是通过库函数来调用系统调用。库函数会负责生成系统调用指令，并调用系统调用指令。这种方式比较简单，不需要用户态的程序了解系统调用的具体实现细节。