六、系统调用

1.概念

在计算机中，系统调用（英语：systemcall），又称为系统呼叫，指运行在使用者空间的程序向操作系统内核请求需要更高权限运行的服务。系统调用提供了用户程序与操作系统之间的接口（即系统调用是用户程序和内核交互的接口）。

操作系统中的状态分为管态（核心态）和目态（用户态）。大多数系统交互式操作需求在内核态执行。如设备IO操作或者进程间通信。特权指令：一类只能在核心态下运行而不能在用户态下运行的特殊指令。不同的操作系统特权指令会有所差异，但是一般来说主要是和硬件相关的一些指令。用户程序只在用户态下运行，有时需要访问系统核心功能，这时通过系统调用接口使用系统调用。

应用程序有时会需要一些危险的、权限很高的指令，如果把这些权限放心地交给用户程序是很危险的(比如一个进程可能修改另一个进程的内存区，导致其不能运行)，但是又不能完全不给这些权限。于是有了系统调用，危险的指令被包装成系统调用，用户程序只能调用而无权自己运行那些危险的指令。另外，计算机硬件的资源是有限的，为了更好的管理这些资源，所有的资源都由操作系统控制，进程只能向操作系统请求这些资源。操作系统是这些资源的唯一入口，这个入口就是系统调用。

系统调用举例：对文件进行写操作，程序向打开的文件写入字符串“hello world”，open和write,还有读read，创建进程fork，vfork等都是系统调用。

2.用户态到内核态的转化原理

系统调用：
这是用户进程主动要求切换到内核态的一种方式，用户进程通过系统调用申请操作系统提供的服务程序完成工作。而系统调用的机制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现，例如Linux的ine80h中断。

异常：
当CPU在执行运行在用户态的程序时，发现了某些事件不可知的异常，这是会触发由当前运行进程切换到处理此。异常的内核相关程序中，也就到了内核态，比如缺页异常。

外围设备的中断：
当外围设备完成用户请求的操作之后，会向CPU发出相应的中断信号，这时CPU会暂停执行下一条将要执行的指令，转而去执行中断信号的处理程序，如果先执行的指令是用户态下的程序，那么这个转换的过程自然也就发生了有用户态到内核态的切换。比如硬盘读写操作完成，系统会切换到硬盘读写的中断处理程序中执行后续操作等。

3.用户态切换到内核态的3种方式

从出发方式看，可以在认为存在前述3种不同的类型，但是从最终实际完成由用户态到内核态的切换操作上来说，涉及的关键步骤是完全一样的，没有任何区别，都相当于执行了一个中断响应的过程，因为系统调用实际上最终是中断机制实现的，而异常和中断处理机制基本上是一样的，用户态切换到内核态的步骤主要包括：

①从当前进程的描述符中提取其内核栈的ss0及esp0信息。

②使用ss0和esp0指向的内核栈将当前进程的cs,eip，eflags，ss,esp信息保存起来，这个过程也完成了由用户栈找到内核栈的切换过程，同时保存了被暂停执行的程序的下一条指令。

③将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的cs，eip信息装入相应的寄存器，开始执行中断处理程序，这时就转到了内核态的程序执行了。

总结

①Linux系统内核提供了一套用于实现各种系统功能的子程序，谓之系统调用。程序编写者可以象调用普通C语言函数一样调用这些系统调用函数，以访问系统内核提供的各种服务。

②系统调用函数在形式上与普通C语言函数并无差别。二者的不同之处在于，前者工作在内核态，而后者工作在用户态。

③在Intel的CPU上运行代码分为四个安全级别：Ring0、Ring1、Ring2和Ring3。@TOCLinux系统只使用了Ring0和Ring3。用户代码工作在Ring3级，而内核代码工作在Ring0级。一般而言用户代码无法访问Ring0级的资源，除非借助系统调用，使用户代码得以进入Ring0级，使用系统内核提供的功能。

④系统内核内部维护一张全局表sys_call_table，表中的每个条目记录着每个系统调用在内核代码中的实现入口地址。

⑤当用户代码调用某个系统调用函数时，该函数会先将参数压入堆栈，将系统调用标识存入eax寄存器，然后通过int 80h指令触发80h中断。这时程序便从用户态(Ring3)进入内核态(Ring0)。

⑥工作系统内核中的中断处理函数被调用，80h中断的处理函数名为system_call，该函数先从堆栈中取出参数，再从eax寄存器中取出系统调用标识，然后再从sys_call_table表中找到与该系统调用标识相对应的实现代码入口地址，挈其参数调用该实现，并将处理结果逐层返回到用户代码中。