文档介绍：第10章系统调用
本章对Linux系统调用的定义、基本原理、使用方法和注意事项作了概括的介绍,以便读者对Linux系统调用建立一个大致的印象。较详细地讨论了系统调用wait、waitpid和exec函数族,并通过两个实际例子来说明系统调用。
系统调用概述
所有的操作系统都提供多种服务的入口点,由此程序向内核请求服务。各种版本的Unix都提供经良好定义的有限数目的入口点,经过这些入口点进入内核,这些入口点被称为系统调用(system call)。系统调用是不能更改的一种Unix特征。
系统调用过程
系统调用过程示意图
Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序,称为系统调用。用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。从某种角度来看,系统调用和普通的函数调用非常相似。区别仅仅在于,系统调用由操作系统核心提供,运行于核心态;而普通的函数调用由函数库或用户自己提供,运行于用户态。二者在使用方式上也有相似之处。
随Linux核心还提供了一些C语言函数库,这些库对系统调用进行了一些包装和扩展,因为这些库函数与系统调用的关系非常紧密,所以习惯上把这些函数也称为系统调用。
在Linux中,:
一般来说,CPU硬件决定了进程不能访问内核所占内存空间也不能调用内核函数,这被称作"保护模式"。系统调用是这些规则的一个例外。系统调用的原理是:进程先用适当的值填充寄存器,然后调用一个特殊的指令跳转一个事先定义的内核中的一个位置(当然,这个位置是用户进程可读但是不可写的)。硬件知道一旦跳到这个位置,就不是在限制模式下运行的用户,而是作为操作系统的内核。在Intel CPU中,这个指令由中断0x80实现。
进程可以跳转到的内核位置叫做sysem_call。这个过程检查系统调用号,该号码告诉内核进程请求哪种服务。然后内核进程查看系统调用表(sys_call_table)找到所调用的内核函数入口地址。接着调用相应的函数,在返回后做一些系统检查,最后返回到进程(如果这个进程时间用尽,则返回到其他进程)。sysem_call的代码在源码/kernel/(system_call)的下一行。
实际上,很多已经被台上的实现都是靠系统调用完成的,所以如果想对系统底层的原理作深入的了解,掌握各种系统调用是初步的要求。Linux下编程高手,其标志之一也是能对各种系统调用有透彻的了解。
在很多情况下,系统调用是实现编程想法的简洁有效的途径,所以应该尽量多掌握一些系统调用,这会对程序设计过程带来意想不到的帮助。
系统调用的进入
系统调用的进入可分为“用户程序调用系统调用总控程序(system_call)”和“系统调用总控程序调用各个服务程序”两部分;下面将分别对这两个部分进行详细说明:
(1)“用户程序调用系统调用总控程序”的实现:Linux的系统调用使用第0x80号中断向量项作为总的入口,即系统调用总控程序的入口地址system_call就挂在中断0x80上。也就是说,只要用户程序执行0x80中断( int 0x80 ),就可实现“用户程序系统调用总控程序”的进入。只是0x80中断的执行语句int 0x80 被封装在标准C库中,用户程序只需用标准系统调用函数就可以了,而不需要在用户程序中直接写0x80中断的执行语句int 0x80。中断的进入的详细过程可参见第3章“中断和中断处理”。
(2在系统调用总控程序中,通过语句“call * SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4)”来调用各个服务程序(SYMBOL_NAME是定义在/include/linux/:#define SYMBOL_NAME_LABEL(X) X),可以忽略)。当系统调用总控程序执行到此语句时,eax中的内容即是相应系统调用的编号,此编号即相应服务程序在系统调用向量表sys_call_table中的编号(系统调用的编号的有关说明在/linux/include/asm/)。又因为系统调用向量表sys_call_table每项占4个字节,所以由%eax 乘上4形成偏移地址,而sys_call_table则为基址;基址加上偏移所指向的内容就是相应系统调用服务程序的入口地址。所以此call语句就相当于直接调用对应的系统调用服务程序。