基于int的Linux的经典系统调用实现

 

　　 先说明两个概念：中断和系统调用

一 系统调用： 是应用程序（运行库也是应用程序的一部分）与操作系统内核之间的接口，它决定了应用程序是如何和内核打交道的。

1，  Linux系统调用：2.6.19版内核提供了319个系统调用。比如 exit fork read open close ……

2，  对Windows来说，操作系统提供给应用程序的接口不是系统调用，而是API。比如：ReadFile。我们暂时把API和系统调用等同起来

3，  Linux中，每个系统调用对应一个系统调用号，内核维护了一个系统调用表，通过这张表可以找到对应的系统调用函数。

 

二 中断

1，  现代的CPU常常可以在多种截然不同的特权级别下执行指令，所以有两种特权级别，分别为用户模式（User Mode）和内核模式（Kernel Mode）

2，  系统调用运行在内核态，应用程序基本都是运行在用户态。用户态要切换到内核态，操作系统一般是通过中断来完成

3，  Linux使用0x80中断作为系统调用的入口，Windows采用0x2E号中断作为系统调用入口

4，  中断是一个硬件或软件发出的请求，要求CPU暂停当前工作转手去处理更加重要的事。

5，  中断一般有两个属性，中断号和中断处理程序。不同的中断有不同的中断号，也对应不同的中断处理程序。

6，  在内核中有一个数组称为中断向量表，这个数组的第n项包含了指向第n号中断的中断处理程序的指针。

 

三 基于int的Linux的经典系统调用实现（进入正题）

1，  以fork为例 

void main(void)
{
    fork();  
}

 

2，  大概流程就是这样：用户调用fork  ->  eax=2（保存系统调用号到寄存器中） -> int 0x80 （触发中断，切换到内核态）

 　　　　　　　　　　 ->  在中断向量表中查找（0x80号） -> 执行0x80对应的中断服务程序（system_call）

　　　　　　　　　　  ->  在系统调用表中找到系统调用号为2的那一项（通过之前保存的eax=2） -> 执行系统调用（sys_fork）

 

3，  执行流程图如下

 

4，  用户调用某个系统调用，执行到int $0x80时，会保存现场以便恢复，接着将特权状态切换到内核态，然后CPU便会查找中断向量表中的第0x80号元素。

 

5，  切换堆栈：

（1）       在执行中断处理函数之前，CPU首先还要进行栈的切换。

（2）       在Linux中，用户态和内核态使用的是不同的栈，两者各自负责各自的函数调用。

（3）       调用0x80中断时，程序执行流程从用户态切换到内核态，当前栈也必须相应的从用户栈切换到内核栈。从中断处理程序中返回时，再切换回用户栈

（4）       “当前栈”指的是ESP的值所在的栈空间，若ESP的值位于用户栈的范围内，那个当前栈就是用户栈，反之就是内核栈。此外，寄存器SS的值还要指向当前栈所在的页

（5）       用户栈 -> 内核栈的实际行为就是：

　　　　　　　　保存当前的ESP，SS的值   ->   将ESP SS的值设置为内核栈的相应值

　　　　  内核栈 -> 用户栈的实际行为就是：

　　　　　　　　恢复原来的ESP SS的值

（6）       用户态的ESP 和 SS保存在内核栈中，这一行为由i386的中断指令自动地由硬件完成。

（7）       中断发生时，CPU切入内核态，还会接着做下面几件事

　　　　　　　　找到当前进程的内核栈（每个进程都有独立的内核栈） ->   在内核栈中一次压入用户态的寄存器SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP。

（8）       系统从系统调用中返回时，需要用iret指令回到用户态，iret会从内核态中弹出寄存器SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP的值，使得栈恢复到用户态的状态

 

6，中断处理程序：切换栈了以后，程序的流程就切换到了中断向量表中记录0x80号中断处理程序，Linux内部的i386中断服务流程如图

        

执行完sys_fork后再沿原路返回

 

参考： 《程序员的自我修养》