Linux系统调用过程
一. 概述
系统调用是应用程序与内核交互的一种方式。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，开关中断，改变特权模式等等。首先，系统调用是一个软中断，既然是中断那么一般就具有中断号和中断处理程序两个属性，Linux使用0x80号中断作为系统调用的入口，而中断处理程序的地址放在中断向量表里。
二. 过程
基于linux-2.6.38，以read()系统调用函数为例进行说明。
在用户空间，read()函数的声明位于#include<unistd.h>，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/arch/x86/include/asm/unistd_32.h里定义（#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/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 }
可见，参数的形式和用户空间的一样。SYSCALL_DEFINE3是一个宏，在/include/linux/syscalls.h中定义：
1 #define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)
SYSCALL_DEFINEx也是一个宏，也在此文件中定义：
1 #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...) \ 2 __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__) 3 ..... 4 #define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...) \ 5 asmlinkage long sys##name(__SC_DECL##x(__VA_ARGS__)) 6 ......
宏展开后，就是声明了这么一个函数：
asmlinkage long sys_read(unsigned int fd, char __user *buf, size_t count);
asmlingage是一个宏，定义为：__attribute__((regparm(0)))，作用是让这个函数只从栈上获取参数（因为之前的SAVE_ALL将参数压到了栈里面）。
当执行完中断处理程序后，后面会调用RESTORE_REGS来恢复各个寄存器：
1 .............. 2 CFI_REMEMBER_STATE 3 je ldt_ss # returning to user-space with LDT SS 4 restore_nocheck: 5 RESTORE_REGS 4 # skip orig_eax/error_code 6 ...............
第5行，RESTORE_REGS的定义：
1 .macro RESTORE_REGS pop=0 2 RESTORE_INT_REGS 3 1: popl_cfi %ds 4 /*CFI_RESTORE ds;*/ 5 2: popl_cfi %es 6 /*CFI_RESTORE es;*/ 7 3: popl_cfi %fs 8 /*CFI_RESTORE fs;*/ 9 POP_GS \pop 10 .................
第2行，RESTORE_INT_REGS的定义：
1 .macro RESTORE_INT_REGS 2 popl_cfi %ebx 3 CFI_RESTORE ebx 4 popl_cfi %ecx 5 CFI_RESTORE ecx 6 popl_cfi %edx 7 CFI_RESTORE edx 8 popl_cfi %esi 9 CFI_RESTORE esi 10 popl_cfi %edi 11 CFI_RESTORE edi 12 popl_cfi %ebp 13 CFI_RESTORE ebp 14 popl_cfi %eax 15 CFI_RESTORE eax 16 .endm
到这里差不多了，再对read()跟踪的话就会涉及文件系统方面的内容，以后会说的。
