系统调用执行过程分析

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作者：张卓
原创作品转载请注明出处：《Linux操作系统分析》MOOC课程 http://www.xuetangx.com/courses/course-v1:ustcX+USTC001+_/about
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一 系统调用概述

操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口-系统调用
  ● 把用户从底层的硬件编程中解放出来
  ● 极大的提高了系统的安全性
  ● 使用用户程序具有可移植性

操作系统提供的API和系统调用的关系
应用编程接口（application program interace,API）和系统调用是不同的
  ● API只是一个函数定义
  ● 系统调用通过软中断向内核发生一个明确的请求
Libc库定义的一些API引用了封装例程（wrapper routine,唯一目的就是发布系统调用）
  ● 一般每个系统调用对应一个封装例程
  ● 库再用这些例程定义出给用户的API
不是每个API都对应一个特定的系统调用
  ● API可能直接提供用户态的服务，如一些数学函数
  ● 一个单独的API可能调用几个系统调用
  ● 不同的API可能调用同一个系统调用
返回值
  ● 大部分封装例程返回一个整数，其值的含义依赖于相应的系统调用
  ● -1在大多数的情况下表示内核不能满足进程的请求
  ● Libc中定义的errno变量包含特定的出错码
 

二 系统调用的执行过程分析

在 Linux 平台下有两种方式来使用系统调用：利用封装后的 C 库（libc）或者通过汇编直接调用。其中通过汇编语言来直接调用系统调用，是最高效地使用 Linux 内核服务的方法，因为最终生成的程序不需要与任何库进行链接，而是直接和内核通信。
下面我将借助 实验楼的环境详细分析使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用的过程。

 1 #include                                                   
  2 #include 
  3 #include 
  4 #include 
  5 
  6 int main(int argc, const char *argv[])
  7 {
  8     int fd = 0;
  9     int ret = 0;
 10     char buf[100] = {0};
 11     char *filename = "1569.txt";
 12 
 13     fd = open(filename, O_RDONLY);
 14     if( 0 > fd){
 15         perror("Failed to open");
 16         exit(1);
 17     }
 18 
 19     ret = read(fd, buf, 50);
 20     if(ret < 0){
 21         perror("Failed to read");
 22         close(fd);
 23         exit(1);
 24     }                                                               
 25     printf("%s\n",buf);                                             
 26                                                                     
 27     return 0;                                                       
 28 }            

这简单的程序用库函数的方式使用了两个系统调用：5 和 3
通过简单的编译执行，可以得到如下的结果：

接下来，我们用GCC内嵌汇编的方式来执行系统调用：

 1 #include 
 2 #include 
 3 #include 
 4 #include 
 5
 6 int main(int argc, const char *argv[])
 7 {
 8     int fd = 0;
 9     int ret = 0;
10     char buf[100] = {0};
11     char *filename = "1569.txt";
12
13     //fd = open("1569.txt", O_RDONLY);
14     asm volatile(
15         "movl %1,%%ebx\n\t"   /* 用ebx保存第一个参数 */
16         "movl %2,%%ecx\n\t"   /* 用ecx保存第二个参数 */
17         "movl $0x5,%%eax\n\t" /* 用eax传递系统调用号，5表示sys_open */
18         "int $0x80\n\t"       /* 系统通过 int $0x80这条指令产生一个软中断，执行系统调用 */
19         "movl %%eax, %0\n\t"  /* 和其它函数一样，返回值也是保存在eax寄存器之中 */
20         :"=m"(fd)
21         :"b"(filename),"c"(O_RDONLY)
22         );
23     if( 0 > fd){
24         perror("Failed to open");
25         exit(1);
26     }
27
28     //ret = read(fd, buf, 50);
29     asm volatile(
30         "movl %1,%%ebx;"
31         "movl %2,%%ecx;"
32         "movl %3,%%edx;"
33         "movl $0x3,%%eax;"
34         "int $0x80;"
35         "movl %%eax, %0;"
36         :"=m"(ret)
37         :"b"(fd),"c"(buf),"d"(50)
38         );
39     if(ret < 0){
40         perror("Failed to read");
41         close(fd);
42         exit(1);
43     }
44     printf("%s\n",buf);
45
46     return 0;
47 }
48

和 DOS 一样，Linux 下的系统调用也是通过中断（int 0x80）来实现的。在执行 int 80 指令时，寄存器 eax 中存放的是系统调用的功能号，而传给系统调用的参数则必须按顺序放到寄存器 ebx，ecx，edx，esi，edi 中，当系统调用完成之后，返回值可以在寄存器 eax 中获得。所有的系统调用功能号都可以在文件 /usr/include/bits/syscall.h 中找到。
通过下面的命令编译，然后执行：

gcc read_asm.c -o read_asm -m32

可以看到执行结果和上面的一样：

三 总结

从上面实验的内容我们得出，系统调用的执行过程，可以用下面的一个图表示出来：

用户进程通过调用系统提供的API，在API中执行类似与上面内嵌汇编的程序；进而执行system call 处理程序，在system call处理程序中执行真正的系统提供的服务程序，执行完毕返回退出。系统调用号将API和system call 紧密联系在一起。在这个过程中涉及到了，系统从用户态切换到内核态执行程序的过程，从而可以说明系统调用也是一种特殊的中断。中断向量0x80对应system call。


本博客参考： Linux 汇编语言开发指南
系统调用列表参见 http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/arch/x86/syscalls/syscall_32.tbl