【OS内核】系统调用

概念

除异常和陷入，内核唯一的合法入口，应用程序和内核态的通信使者

应用编程接口API 和 系统调用

用户空间实现API，可以实现1个，多个系统调用，也可以不调用
Unix --> 流行API是基于POSIX标准，根据POSIX定义的API和系统调用之间有着直接关系
内核提供的功能是固定的，但是不同系统，实现的具体策略可能不一样

• 系统调用举例
  asmlinkage long sys_getpid(void)

  asmlinkage 仅从栈中提取该函数的参数。是一个编译指令，所有系统调用都需要这个限定词。
  long 返回long类型
  getpid()遵守命名规则，变为sys_getpid()

系统调用号

每个系统调用 --> 独一无二的系统调用号
一旦分配不能有任何变更，系统调用删除后，号也不能回收。考虑已经编译过的程序，不能产生错误
专门有一个“未实现”系统调用 sys_ni_syscall() 返回-ENOSYS，针对无效系统调用而设

通知内核

用户的程序无法直接调用内核函数，要保证系统的安全、稳定
应用程序应该通知内核，需要执行一个系统调用，希望系统切换到内核态。
软中断实现

• 软中断
  引发一个异常来促使系统切换到内核态执行异常处理程序。
  此时，异常处理程序 = 系统调用处理程序
  x86软中断号 --> 128
  int $0x80指令触发该中断，触发异常，导致系统切换到内核态并执行128号异常处理程序，system_call()

• 指定系统调用
  x86 --> 通过wax寄存器传递给内核。
  陷入内核前，用户把系统调用号放入eax。
  system_call()判断是否超出范围，无效返回-ENOSYS。有效执行：
  call *sys_call_table(, %rax, 8)

• 传参
  x86-32系统，ebx、ecx、edx、esi、edi顺序存放前5个参数
  多余5个的，用一个单独的寄存器存放指针，指向这些参数的用户空间地址
  给用户返回的值也通过寄存器传递。x86上，存放在eax寄存器中。

系统调用实现

明确调用用途，不提倡多用途调用
参数尽量少
考虑新功能加入，提供了标志参数以确保向前兼容
要时刻考虑可移植性和健壮性

• 参数验证
  检查用户提供的指针是否有效
  内核需保证：
  1、指针指向的内存区域属于用户空间
  2、内存区域在进程的地址空间里
  3、对应内存的读写权限标记，不能绕过内存访问限制

内核提供两个方法完成检查、内核与用户之间的数据拷贝

• copy_to_user() *向用户空间写入数据
  参数一：进程空间中的目的内存地址
  参数二：内核空间内的源地址
  参数三：需要拷贝的数据长度

• copy_from_user() *从用户空间读取数据
  ad1, ad2, len
  把ad2位置上的数据，拷贝到ad1位置

系统调用上下文

执行系统调用时，处于进程上下文。current指针指向当前任务，引发系统调用的那个进程。
进程上下文中：

• 内核可以休眠
• 可以被抢占

能够休眠，说明系统调用可以使用内核提供的绝大部分功能。
能够抢占，说明可以被其他进程抢占，要保证共同的系统调用是可重入的。

绑定一个系统调用

1. 在系统调用表的最后加入一个表项，系统调用在该表的位置就是系统调用号
2. 对于所支持的体系结构，调用号都必须定义于<asm/unistd.h>
3. 系统调用必须被编译进内核映像

每隔5个表项就加入一个调用号注释，方便查找

从用户空间访问系统调用

系统调用靠C库支持，用户程序通过包含标准头文件并和C库链接
调用库函数，再由库函数实际调用

系统调用小结

陷入内核，传递系统调用号和参数，执行系统调用，返回给用户结果
新建系统调用的好处：

• 容易，方便使用
• 系统调用性能高

但是：

• 需要一个系统调用号，内核处于版本开发时，官方分配
• 加入稳定内核后，系统调用已经固化，不允许改动接口
• 分别注册到每个体系结构中
• 脚本中不易调用
• 需要调用号，在主内核树外很难维护