Linux内核分析——系统调用（上）_版本1内核执行的前3个系统调用linux-优快云博客

本文详细介绍了Linux系统中的用户态与内核态的概念及其切换机制，通过具体实例讲解了系统调用的过程，并展示了如何使用fork()函数创建子进程。

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一、用户态、内核态、中断处理机制

intel x86 CPU有四个权限分级，0-3。Linux只取两种，0是内核态，3是用户态。区分权限级别使得系统更加稳定。

1.内核态

高执行级别，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址。
判断依据1：cs：eip。[代码段选择寄存器：偏移量寄存器]
cs寄存器的最低两位为00，表示当前代码的特权为系统级别。
判断依据2：访问的逻辑地址。0xc0000000以上的空间只能在内核态下访问。

2.用户态

代码只能在级别允许的特定范围内活动。在日常操作下，执行系统调用的方式是通过库函数，库函数封装系统调用，为用户提供接口以便直接使用。
判断依据1：cs：eip。[代码段选择寄存器：偏移量寄存器]
cs寄存器的最低两位为11，表示当前代码的特权为用户级别。
判断依据2：访问的逻辑地址。用户态只能访问0x00000000-0xbfffffff的空间。

3、两者如何切换？

Linux中，系统调用是用户空间访问内核的唯一手段。
除异常和陷入外，它们是内核唯一的合法入口。

4、中断

由于是不同操作级别的切换，所以需要在内核空间另辟一块栈空间，同时把用户空间栈的位置等信息保存下来。即：

用户态到内核态的切换：必须保存用户态的寄存器上下文，包括用户态栈顶地址、当时的状态字、cs:eip的值，以及内核态的栈顶地址、当时的状态字、中断处理程序入口。

二、系统调用

这张图非常清晰地描述了系统调用的层次和原理。
这里写图片描述
系统调用总控程序（system_call）是操作系统提供给应用程序的一个特殊接口，特殊之处在于是利用软中断陷入内核。对i386的CPU，就是执行INT 0x80中断（“系统调用”）,同时将CPU切换到核心态。
进程在执行陷入前把系统调用号装入eax，接着系统调用总控程序负责将系统调用号派发到各自的服务例程，然后调用它执行。
这里写图片描述

三、实验

1、fork（）用法

fork（）函数通过系统调用创建一个与原来进程几乎完全相同的进程。两个进程可以做完全相同的事，但如果初始参数或者传入的变量不同，两个进程也可以做不同的事。一个进程调用fork（）函数后，系统先给新的进程分配资源，例如存储数据和代码的空间。然后把原来的进程的所有值都复制到新的新进程中，只有少数值与原来的进程的值不同。相当于克隆了一个自己。

这里写图片描述

fork调用的一个奇妙之处就是它仅仅被调用一次，却能够返回两次，它可能有三种不同的返回值：

在父进程中，fork返回新创建子进程的进程ID；
在子进程中，fork返回0；
如果出现错误，fork返回一个负值；

2、代码

fork.c:

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main ()
{
    pid_t fpid;

    fpid = fork();
    if (fpid < 0)
        printf("error in fork!");
    else if (fpid == 0) {
        printf("i am the child process, my process id is %d\n",getpid());
    }
    else {
        printf("i am the parent process, my process id is %d\n",getpid());
    }
    return 0;
}

fork_asm.c: 将这一句系统调用替换成嵌入式汇编：

fpid = fork();

asm volatile (
            "mov $0x2, %%eax\n\t"//把2号系统调用号放入eax
            "int $0x80\n\t" //触发0x80号软中断
            "mov %%eax, %0\n\t"  //将eax中的返回值写入fpid
            : "=m" (fpid)
            );

3、实验截图

这里写图片描述
每执行一次fork，都会产生两个进程，父进程、子进程各自打印自己的信息。

四、思考

关于内核态和用户态。学习的重点和主题是内核。用户界面是操作系统的外在表象，内核才是操作系统的内在核心。根据操作、访问权限的不同，划分为内核态和用户态。打个比方，图书馆中，读者可以自由地检索目录、阅读书籍，却无权直接去书库取书，也无权修改图书馆的数据库。而工作人员就在特权状态，可以访问任意资源。这样的划分是为了系统的稳定和安全，也是免去了用户和系统底层打交道的麻烦。
在系统中运行的应用程序通过系统调用与内核通信，也是通过系统调用界面陷入内核。而“接口”是实现的关键。图书馆中，读者想要借书时，只能填写借书单，由工作人员完成登记和取书工作。“借书单”起到了一个“接口”的作用。

参考资料：《Linux操作系统原理》
http://blog.youkuaiyun.com/jason314/article/details/5640969