第五章读书笔记——系统调用

第五章 系统调用

与内核通信

系统调用在用户空间进程和硬件设备之间添加了一个中间层，该层主要作用有三个：

• 为用户空间提供了一种硬件的抽象接口
• 系统调用保证了系统的稳定和安全，作为硬件设备和应用程序之间的中间人，内核可以基于权限、用户类型和其他一些规则对需要进行的访问进行裁决
• 每个进程都运行在虚拟系统中，而在用户空间和系统的其余部分提供这样一层公共接口

在Linux中，系统调用是用户空间访问，内核的唯一手段；除异常和陷入外，它们是内核唯一的合法入口。

API、POSIX和C库

一个API定义了一组应用程序使用的编程接口，它们可以实现成一个系统调用，也可以通过调用多个系统调用来实现，而完全不使用任何系统调用也不存在问题
实际上，API可以在各种不同的操作系统实现，给应用程序提供完全相同的接口

在Unix中，最流行的应用编程接口是基于POSIX标准的
关于Unix的接口设计有一句格言：提供机制而不是策略

系统调用

要访问系统调用，通常通过C库中定义的函数调用来进行。

系统调用最终具有一种明确的操作。

定义系统调用：

• 注意函数声明中的asmlinkage限定词，这是一个编译指令，所有的系统调用都需要这个限定词
• 函数返回long，在用户空间为int在内核空间为long
• 注意系统调用get_pid()中的在内核中被定义成sys_getpid()

系统调用号

在Linux中，每个系统调用被赋予一个系统调用号

系统调用号相当重要，一旦分配就不能再有任何变更，否则编译好的应用程序就会崩溃。此外，如果一个系统调用被删除，它所占用的系统调用号也不允许被回收利用，否则，以前编译过的代码会调用这个系统调用，但事实上却调用的是另一个系统调用。

内核记录了系统调用表中的所有已注册过的系统调用的列表，存储在sys_call_table中。
每一种体系结构中，都明确定义了这个表，在×86-64中，它定义于arch/i386/kernel/syscall_64.c文件中。这个表为每一个有效的系统调用指定了唯一的系统调用号。

系统调用的性能
Linux系统执行快的原因：

• 很短的上下文切换时间
• 系统调用处理程序和每个系统调用本身也十分简洁

系统调用处理程序

用户空间的程序无法执行内核代码

通知内核的机制是靠软中断实现的：
通过引发一个异常来促使系统切换到内核态去执行异常处理程序，此时的异常处理程序实际上就是系统调用处理程序，在x86系统上预定义的软中断是中断号128。通过int￥0x80指令触发该中断，这条指令会触发一个异常导致系统切换到内核态并执行第128号异常处理程序，而该程序正是系统调用处理程序，这个处理程序名字起得很贴切，叫system_call().它与硬件体系结构紧密相关

指定恰当的系统调用

必须把系统调用号一并传给内核。

在x86上，系统调用号是通过eax寄存器传递给内核的。

系统调用的实现

参数验证
系统调用必须仔细检查它们所有的参数是否合法有效
系统调用在内核空间执行，如果任由用户将不合法的输入传递给内核，那么系统的安全和稳定将面临极大的考验
最重要的一种检查就是检查用户提供的指针是否有效

在接收一个用户空间的指针之前，内核必须保证：

• 指针指向的内存区域属于用户空间，进程决不能哄骗内核去读内核空间的数据。
• 指针指向的内存区域在进程的地址空间里，进程决不能哄骗内核去读其他进程的数据。
• 如果是读，该内存应被标记为可读；如果是写，该内存应被标记为可写；如果是可执行，该内存被标记为可执行。进程绝不能绕过内存访问权限。

系统调用上下文

内核在执行系统调用的时候处于进程上下文

绑定一个系统调用的最后步骤：

• 在系统调用表的最后加入一个表项
• 对于所支持的各种体系结构，系统调用号都必须定义于<asm/unistd.h>中
• 系统调用必须被编译进内核映象（不能被编译成模块）

从用户空间访问系统调用

通常，系统调用靠C库支持

Linux本身提供了一组宏
建立一个新的系统调用的好处：

• 系统调用创建容易且使用方便
• Linux系统调用的高性能显而易见