深入理解Linux系統(tǒng)調(diào)用
系統(tǒng)調(diào)用和普通的函數(shù)調(diào)用沒有本質(zhì)區(qū)別，普通的函數(shù)調(diào)用一般調(diào)用的是我們自己編寫的函數(shù)或者其它庫函數(shù)，而系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用的則是內(nèi)核中的函數(shù)，更學(xué)術(shù)一點(diǎn)的說法是這樣的，所謂系統(tǒng)調(diào)用是指用戶態(tài)程序請(qǐng)求操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。
一提到服務(wù)，大家最先想到的一定是服務(wù)器，假設(shè)客戶端是瀏覽器，瀏覽器發(fā)送http請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后進(jìn)行解析然后調(diào)用相應(yīng)的hander，從本質(zhì)上講就是客戶端觸發(fā)了服務(wù)器端的某個(gè)函數(shù)的運(yùn)行，這時(shí)我們說客戶端請(qǐng)求了服務(wù)器端上的服務(wù)。
而系統(tǒng)調(diào)用與此類似，只不過用戶態(tài)程序并不是通過http觸發(fā)了操作系統(tǒng)中某個(gè)函數(shù)的運(yùn)行，而是通過機(jī)器指令來觸發(fā)的，因?yàn)橛脩魬B(tài)的App和操作系統(tǒng)運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，而客戶端和服務(wù)器端運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中(絕大部分情況下)，因此客戶端只能通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議http來與服務(wù)器進(jìn)行通信。
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更通俗的說法就是所謂系統(tǒng)調(diào)用是指用戶態(tài)的某個(gè)函數(shù)調(diào)用內(nèi)核中的某個(gè)函數(shù)。
接下來我們用一段簡(jiǎn)單的hello world程序看下系統(tǒng)調(diào)用，這段程序需要運(yùn)行在x86_64下：
.section .data
msg:
.ascii "Hello, world!\n" # 字符串定義，包含換行符
len = . - msg # 計(jì)算字符串長(zhǎng)度（包括換行符）
.section .text
.global _start
_start:
# 調(diào)用 write(1, msg, len)
movq $1, %rax # syscall 1 (write)
movq $1, %rdi # fd = 1 (stdout)
movq $msg, %rsi # 字符串地址
movq $len, %rdx # 字符串長(zhǎng)度
syscall
# 調(diào)用 exit(0)
movq $60, %rax # syscall 60 (exit)
xorq %rdi, %rdi # status = 0
syscall使用以下命令編譯：
$ gcc -c test.S
$ ld -o test test.o然后執(zhí)行：
./test
Hello, world!這段匯編代碼成功的打印出了hello world，這段代碼是什么意思呢？
注意看.data這一段，這里說的是程序定義了哪些數(shù)據(jù)，.text段是說程序中包含了哪些執(zhí)行，我們之前提到進(jìn)程的內(nèi)存布局時(shí)總是說數(shù)據(jù)段以及代碼段，這里的數(shù)據(jù)段指的就是匯編中的.data段、代碼段指的就是匯編中的.text段，現(xiàn)在你應(yīng)該明白了吧。
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在.text段我們看到了一條略顯奇怪的指令，syscall，這條指令是什么意思呢？
我們來翻看一下intel的開發(fā)手冊(cè)：
SYSCALL invokes an OS system-call handler at privilege level 0. It does so by loading RIP from the IA32_LSTAR MSR (after saving the address of the instruction following SYSCALL into RCX). (The WRMSR instruction ensures that the IA32_LSTAR MSR always contain a canonical address.)
這段話告訴我們intel處理器在執(zhí)行syscall指令時(shí)會(huì)在內(nèi)核態(tài)調(diào)用操作系統(tǒng)的某個(gè)函數(shù)，即syscall-call handler，這個(gè)過程就是所謂的系統(tǒng)調(diào)用，我們知道CPU執(zhí)行某個(gè)函數(shù)時(shí)必須知道某個(gè)函數(shù)在內(nèi)存中的地址，那么CPU是怎么知道某個(gè)syscall-call handler的內(nèi)存地址呢？
原來syscall-call handler所在的內(nèi)存地址存儲(chǔ)在寄存器MSR中，那么又是誰將這個(gè)地址存儲(chǔ)在了寄存器MSR中呢？很顯然是操作系統(tǒng)，接下來以Linux為例來講解。
Linux內(nèi)核初始化時(shí)將syscall-call handler也就是Linux內(nèi)核中entry_SYSCALL_64函數(shù)的地址寫入寄存器MSR中：
wrmsrl(MSR_LSTAR, entry_SYSCALL_64);其中syscall-call handler也就是entry_SYSCALL_64定義在了Linux源碼中的arch/x86/entry/entry_64.S，上述初始化寄存器MSR的代碼定義在了arch/x86/kernel/cpu/common.c。
現(xiàn)在我們知道了，當(dāng)CPU執(zhí)行syscall時(shí)會(huì)無腦跳轉(zhuǎn)到寄存器MSR中保存的函數(shù)地址，也就是entry_SYSCALL_64函數(shù)，那么很顯然的，所有系統(tǒng)調(diào)用的入口都是entry_SYSCALL_64函數(shù)，那么操作系統(tǒng)該怎么區(qū)分到底是調(diào)用的read系統(tǒng)調(diào)用還是write等系統(tǒng)調(diào)用？
原來，操作系統(tǒng)中給每種系統(tǒng)調(diào)用分配了一個(gè)序號(hào)，就像Linux中這樣：
0common read sys_read
1common write sys_write
2common open sys_open
3common close sys_close
4common stat sys_newstat
5common fstat sys_newfstat
6common lstat sys_newlstat
7common poll sys_poll
8common lseek sys_lseek
9common mmap sys_mmap
...可以看到，0號(hào)系統(tǒng)調(diào)用表示的是內(nèi)核中的read函數(shù)，1號(hào)系統(tǒng)調(diào)用表示的內(nèi)核中的write函數(shù)，在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)會(huì)將表示系統(tǒng)調(diào)用類別的序號(hào)寫入通用寄存器中。
從上面這個(gè)表格中可以看到write系統(tǒng)調(diào)用的序號(hào)是1，因此在hello world程序中我們將1寫入寄存器rax中：
movq $1, %rax這條指令就表示我們將要調(diào)用第1號(hào)系統(tǒng)調(diào)用，也就是sys_write，hello world程序中后續(xù)三條機(jī)器指令的函數(shù)是：
# 寫入文件描述符1
movq $1, %rdi
# 保存指向字符串的指針
movq $msg, %rsi
# 寫入數(shù)據(jù)的大小
movq $len, %rdx實(shí)際上這四條機(jī)器指令都是為執(zhí)行syscall進(jìn)行的鋪墊，也就是執(zhí)行syscall所需要的參數(shù)，可以看到我們進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用傳遞參數(shù)時(shí)都是通過寄存器來完成的。
這樣當(dāng)CPU執(zhí)行syscall執(zhí)行時(shí)就會(huì)跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核中的write函數(shù)，同時(shí)在執(zhí)行該函數(shù)時(shí)也能知道write函數(shù)所需要的參數(shù)是什么。
