Linux中的系統(tǒng)調(diào)用是怎樣實(shí)現(xiàn)

那么在今天的文章中我們從理論來(lái)到現(xiàn)實(shí)，看看Linux中的系統(tǒng)調(diào)用是怎樣實(shí)現(xiàn)的。

首先我們先來(lái)簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)下之前講解過(guò)的知識(shí)。

系統(tǒng)調(diào)用和普通的函數(shù)調(diào)用沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，普通的函數(shù)調(diào)用一般調(diào)用的是我們自己編寫的函數(shù)或者其它庫(kù)函數(shù)，而系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用的則是內(nèi)核中的函數(shù)，更學(xué)術(shù)一點(diǎn)的說(shuō)法是這樣的，所謂系統(tǒng)調(diào)用是指用戶態(tài)程序請(qǐng)求操作系統(tǒng)提供的服務(wù)。

一提到服務(wù)，大家最先想到的一定是服務(wù)器，假設(shè)客戶端是瀏覽器，瀏覽器發(fā)送http請(qǐng)求，服務(wù)器接收到請(qǐng)求后進(jìn)行解析然后調(diào)用相應(yīng)的hander， 從本質(zhì)上講就是客戶端觸發(fā)了服務(wù)器端的某個(gè)函數(shù)的運(yùn)行 ，這時(shí)我們說(shuō)客戶端請(qǐng)求了服務(wù)器端上的服務(wù)。

而系統(tǒng)調(diào)用與此類似，只不過(guò)用戶態(tài)程序并不是通過(guò)http觸發(fā)了操作系統(tǒng)中某個(gè)函數(shù)的運(yùn)行，而是通過(guò)機(jī)器指令來(lái)觸發(fā)的，因?yàn)橛脩魬B(tài)的App和操作系統(tǒng)運(yùn)行在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上，而客戶端和服務(wù)器端運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中(絕大部分情況下)，因此客戶端只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議http來(lái)與服務(wù)器進(jìn)行通信。

更通俗的說(shuō)法就是所謂系統(tǒng)調(diào)用是指用戶態(tài)的某個(gè)函數(shù)調(diào)用內(nèi)核中的某個(gè)函數(shù)。

接下來(lái)我們用一段簡(jiǎn)單的hello world程序看下系統(tǒng)調(diào)用，這段程序需要運(yùn)行在x86_64下：

.datamsg:    .ascii "Hello, world!\\n"    len = . - msg.text    .global _start_start:    movq  $1, %rax    movq  $1, %rdi    movq  $msg, %rsi    movq  $len, %rdxsyscall    movq  $60, %rax    xorq  %rdi, %rdisyscall

使用以下命令編譯：

$ gcc -c test.S$ ld -o test test.o

然后執(zhí)行：

./testHello, world!

這段匯編代碼成功的打印出了hello world，這段代碼是什么意思呢？

注意看.data這一段，這里說(shuō)的是程序定義了哪些數(shù)據(jù)，.text段是說(shuō)程序中包含了哪些執(zhí)行，我們之前提到進(jìn)程的內(nèi)存布局時(shí)總是說(shuō)數(shù)據(jù)段以及代碼段，這里的數(shù)據(jù)段指的就是匯編中的.data段、代碼段指的就是匯編中的.text段，現(xiàn)在你應(yīng)該明白了吧。

在.text段我們看到了一條略顯奇怪的指令，syscall，這條指令是什么意思呢？

我們來(lái)翻看一下intel的開發(fā)手冊(cè)：

SYSCALL invokes an OS system-call handler at privilege level 0. It does so by loading RIP from the IA32_LSTAR MSR (after saving the address of the instruction following SYSCALL into RCX). (The WRMSR instruction ensures that the IA32_LSTAR MSR always contain a canonical address.)

這段話告訴我們intel處理器在執(zhí)行syscall指令時(shí)會(huì)在內(nèi)核態(tài)調(diào)用操作系統(tǒng)的某個(gè)函數(shù)，即syscall-call handler，這個(gè)過(guò)程就是所謂的系統(tǒng)調(diào)用，我們知道CPU執(zhí)行某個(gè)函數(shù)時(shí)必須知道某個(gè)函數(shù)在內(nèi)存中的地址，那么CPU是怎么知道某個(gè)syscall-call handler的內(nèi)存地址呢？

原來(lái)syscall-call handler所在的內(nèi)存地址存儲(chǔ)在寄存器MSR中，那么又是誰(shuí)將這個(gè)地址存儲(chǔ)在了寄存器MSR中呢？很顯然是操作系統(tǒng)，接下來(lái)以Linux為例來(lái)講解。

Linux內(nèi)核初始化時(shí)將syscall-call handler也就是Linux內(nèi)核中entry_SYSCALL_64函數(shù)的地址寫入寄存器MSR中：

wrmsrl(MSR_LSTAR, entry_SYSCALL_64);

其中syscall-call handler也就是entry_SYSCALL_64定義在了Linux源碼中的arch/x86/entry/entry_64.S，上述初始化寄存器MSR的代碼定義在了arch/x86/kernel/cpu/common.c。

現(xiàn)在我們知道了，當(dāng)CPU執(zhí)行syscall時(shí)會(huì)無(wú)腦跳轉(zhuǎn)到寄存器MSR中保存的函數(shù)地址，也就是entry_SYSCALL_64函數(shù)，那么很顯然的，所有系統(tǒng)調(diào)用的入口都是entry_SYSCALL_64函數(shù)，那么操作系統(tǒng)該怎么區(qū)分到底是調(diào)用的read系統(tǒng)調(diào)用還是write等系統(tǒng)調(diào)用？

原來(lái)，操作系統(tǒng)中給每種系統(tǒng)調(diào)用分配了一個(gè)序號(hào)，就像Linux中這樣：

0  common  read      sys_read
1  common  write      sys_write
2  common  open      sys_open
3  common  close      sys_close
4  common  stat      sys_newstat
5  common  fstat      sys_newfstat
6  common  lstat      sys_newlstat
7  common  poll      sys_poll
8  common  lseek      sys_lseek
9  common  mmap      sys_mmap
...

可以看到，0號(hào)系統(tǒng)調(diào)用表示的是內(nèi)核中的read函數(shù)，1號(hào)系統(tǒng)調(diào)用表示的內(nèi)核中的write函數(shù)，在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)會(huì)將表示系統(tǒng)調(diào)用類別的序號(hào)寫入通用寄存器中。

從上面這個(gè)表格中可以看到write系統(tǒng)調(diào)用的序號(hào)是1，因此在hello world程序中我們將1寫入寄存器rax中：

movq  $1, %rax

這條指令就表示我們將要調(diào)用第1號(hào)系統(tǒng)調(diào)用，也就是sys_write，hello world程序中后續(xù)三條機(jī)器指令的函數(shù)是：

# 寫入文件描述符1
movq  $1, %rdi


# 保存指向字符串的指針
movq  $msg, %rsi


# 寫入數(shù)據(jù)的大小
movq  $len, %rdx

實(shí)際上這四條機(jī)器指令都是為執(zhí)行syscall進(jìn)行的鋪墊，也就是執(zhí)行syscall所需要的參數(shù)，可以看到我們進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用傳遞參數(shù)時(shí)都是通過(guò)寄存器來(lái)完成的。

這樣當(dāng)CPU執(zhí)行syscall執(zhí)行時(shí)就會(huì)跳轉(zhuǎn)到Linux內(nèi)核中的write函數(shù)，同時(shí)在執(zhí)行該函數(shù)時(shí)也能知道write函數(shù)所需要的參數(shù)是什么。

好啦，這篇就到這里，最后，我準(zhǔn)備開通知識(shí)星球啦，我會(huì)把所有文章中留下的問(wèn)題總結(jié)在這里，同時(shí)也鼓勵(lì)大家在這里輸出自己的深度、系統(tǒng)性的思考，沉淀出屬于自己的知識(shí)。