操作系统 | 1.2操作系统接口 和 系统调用

参考来源：哈工大，李治军老师，操作系统公开课

学习之前的问题：什么是接口？

--> 我们使用水龙头接水时，我们根本不需要知道水是怎么从水厂来的，只要打开水龙头这个 “接口”，就可以取到水了。
--> 对于操作系统来说，用户不需要关心硬件是怎么工作的，这些由操作系统来完成，而我们只需要使用操作系统提供的“接口”就可以了。

1. 什么是操作系统的接口？

• 用户是怎么使用计算机的？
  • 命令行
  • 图形按钮
  • 应用程序

(1) 命令行是怎么回事？

(2) 图形按钮又是怎么回事？

• 消息机制：不断的从消息循环队列中不断取消息的循环，每一个消息都对应消息处理函数。

(3) 那么，什么是操作系统的接口？

• 根据上面两个例子，我们发现：
  • 用户使用计算机的方法：普通C代码 + 重要函数
• 操作系统提供了这些重要函数。

  • 接口就是操作系统提供的这些重要函数。。。接口表现为函数调用，由于函数是系统提供，因此，操作系统接口就是系统调用。

小总结：操作系统接口就是系统调用 system_call

(4) 操作系统的接口都有哪些？

• POSIX:Portable Operating System Interface of Unix(IEEE制定的一个标准族)
• 简单看几个操作系统接口
  • 
  • 如果想要查看所有的接口，那么查找POSIX手册即可。

2. 系统调用的实现

系统调用的直观实现，类比其他系统调用问题

(1) 实现一个 whoami 系统调用

• 在内核中，有一个字符串存储着这台计算机的用户名。whoami系统调用就是要把这个字符串打印在屏幕上。

• 仔细思考下面的问题

  • main(){whoami}在内存中被取值执行，系统内核whoami(){printf(100,8);}以及"lizhijun"都是在内存中，那么为什么不能直接跳转到内存100的地方找到这个字符串然后打印输出呢？
    • 如果可以这样做的话，那么系统是不安全的。因为你的root账号和密码就不安全了。因此，不能随意的调用数据，不能随意的jmp。

• 问题1：同样在内存中，那么什么机制可以阻止jmp呢？

• 问题2：不让jmp，那么怎么才能使用内核中的函数呢？

(2) 解决问题1：用户态、内核态和特权级

• 补充一些知识：
  • 

将内核程序和用户程序隔离

• 
  • 段寄存器CS的低两位：CPL （进程当前段的特权级）
  • 段选择子的低两位：RPL （进程对段访问的请求权限）
    • 处理器总共提供了6个段寄存器来保存段选择子；因此同一时刻，可能存在多个RPL（每个段选择子都有一个RPL），但只要段选择子CS中的RPL才等于CPL。
    • 这是因为：CS寄存器也叫“代码段寄存器”。
  • 段寄存器DS的低两位：DPL （目标段的特权级）
  • 当 DPL>=max{CPL,RPL}时，可以访问。
• 在GDT表中，whoami()的DPL被置为0，为内核态，对应内存属于内核段。而用户程序main(){whoami();}的CPL是3，因此不能直接访问内核。

(3) 解决问题2：中断门（中断方法）

jmp和mov都不能进入内核，只有中断才能进入内核。

<1> 硬件提供了“主动进入内核的方法”

<2> 系统调用的实现

<3> 系统调用实现细节

• 对比 <2>... 和 <3>... 中的图片内容对C语言的宏函数进行展开，得到write函数
  • 可以看到的是：type=int, name=write, atype=int, a=fd, btype=const char* , b=buff, ctype=off_t, c=count.
  • 因此，函数头是int write(int fd, const char* buff, off_t=count){...}
  • 函数体是内嵌汇编

    • int write(int fd, const char* buff, off_t=count){
          把 _NR_write 置给 eax;
          把 fd 置给 ebx;
          把 buff 置给 ecx;
          把 count 置给 edx;
          ...
      }
      

    • 代码核心内容也就是将系统调用号置给eax，调用int中断，进入内核。
• _NR_write 是系统调用号
  • 系统调用必须通过 int 0x80 调用号进入内核。但是，许多程序都要调用内核，并且调用函数也不相同，那么怎么调用想要的函数呢？这就需要系统调用号

<4> int 0x80中断的处理

• 核心就是在IDT中断向量表中的80号进行初始化.
  • 将IDT中80中断的DPL置为3。
  • 将段选择符设置为8，因此，最低两位的CPL是00（内核态）。
  • 段选择符+处理函数入口偏移，找到处理函数。
  • ...中断返回时，会把CS的最低两位重新置为3，变为用户态。

<5> 中断处理程序：system_call

• sys_call_table就是系统调用函数表
• 4*%eax 其中，4表示每个函数占4字节，%eax的内容是系统调用号。
  • 这里，%eax被置为了4，说明 sys_write 函数在第五位（从0开始）。

<6> _sys_call_table

3. 总结

操作系统的接口：系统调用

问题一：操作系统怎么阻止你进入内核？
    将分段的内存设置特权级，用户态在用户段，内核态在内核段。根据特权级，有访问权限。

问题二：用户怎么调用操作系统内核代码（或者说使用系统调用函数）
  --->以用户调用C语言的 printf() 函数为例：
    1. 此时，CPL=3，处于用户态；
    2. 通过库函数，将 printf() 变成 int ox80代码
    3. int 0x80代码 在系统初始化时，做成了一个system_call
    4. 在中断处理时，将IDT中 0x80 处的 DPL 置为3，能够访问IDT的0x80；
    5. 然后把CPL置为0，进入内核态。
    6. 查表sys_call_table，根据系统调用号，找到你要调用的函数sys_write。
    7. 中断结束时，又将 CPL重新置为3，进入用户态。

思考问题：都有哪些提权的方法？

• 调用门
• 中断门
• 陷阱们
• 任务门
  由于现在只是希望初步的了解操作系统，因此不做深入的学习。