Linux系统调用过程

一. 概述
　　系统调用是应用程序与内核交互的一种方式。系统调用作为一种接口，通过系统调用，应用程序能够进入操作系统内核，从而使用内核提供的各种资源，比如操作硬件，开关中断，改变特权模式等等。首先，系统调用是一个软中断，既然是中断那么一般就具有中断号和中断处理程序两个属性，Linux使用0x80号中断作为系统调用的入口，而中断处理程序的地址放在中断向量表里。
　　
　　二. 过程
　　基于linux-2.6.38，以read()系统调用函数为例进行说明。
　　    在用户空间，read()函数的声明位于#include，原型为：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)。下面是read()函数在用户空间的定义的伪代码：

1 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)
2 {
3       long res;
4       %eax = __NR_read
5       %ebx = fd
6       %ecx = (long)buf
7       %edx= count
8       int $0x80
9       res = %eax
10       return res;
11 }
　　第4行，用eax寄存器保存read()的系统调用号，在/arch/x86/include/asm/unistd_32.h里定义（#define __NR_read  3）；第5～7行，分别将三个参数放入三个寄存器（通过寄存器来传递参数）；第8行，执行系统调用，进入内核；第9行，获取eax寄存器所保存的函数返回值。
　　    执行第8行后已经进入了系统内核，由于这是一个中断，因此程序进入到中断向量表中记录0x80号的中断处理程序，中断向量表的初始化在/arch/x86/kernel/traps.c中定义：

1 void __init trap_init(void)
2 {
3 ...................
4
5 #ifdef CONFIG_X86_32
6       set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);
7       set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);
8 #endif
9 ...................
10 }
　　如第6行所示。SYSCALL_VECTOR是系统调用的中断号，在/arch/x86/include/asm/irq_vectors.h中定义：

1 #ifdef CONFIG_X86_32
2 # define SYSCALL_VECTOR          0x80
3 #endif
　　正好是0x80。而system_call是系统调用的中断处理函数指针，用户执行int $0x80后会执行到这个函数，它在/arch/x86/kernel/entry_32.S中定义：

1 ENTRY(system_call)
2    RING0_INT_FRAME          # can't unwind into user space anyway
3    pushl_cfi %eax          # save orig_eax
4    SAVE_ALL
5    GET_THREAD_INFO(%ebp)
6                   # system call tracing in operation / emulation
7    testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)
8    jnz syscall_trace_entry
9    cmpl $(nr_syscalls), %eax
10    jae syscall_badsys
11 syscall_call:
12    call *sys_call_table(,%eax,4)
13    movl %eax,PT_EAX(%esp)       # store the return value
...........
　　第4行，SAVE_ALL是一个宏，也在这个文件里定义：

1 .macro SAVE_ALL
2    cld
3    PUSH_GS
4    pushl_cfi %fs
5    /*CFI_REL_OFFSET fs, 0;*/
6    pushl_cfi %es
7    /*CFI_REL_OFFSET es, 0;*/
8    pushl_cfi %ds
9    /*CFI_REL_OFFSET ds, 0;*/
10    pushl_cfi %eax
11    CFI_REL_OFFSET eax, 0
12    pushl_cfi %ebp
13    CFI_REL_OFFSET ebp, 0
14    pushl_cfi %edi
15    CFI_REL_OFFSET edi, 0
16    pushl_cfi %esi
17    CFI_REL_OFFSET esi, 0
18    pushl_cfi %edx
19    CFI_REL_OFFSET edx, 0
20    pushl_cfi %ecx
21    CFI_REL_OFFSET ecx, 0
22    pushl_cfi %ebx
23    CFI_REL_OFFSET ebx, 0
24    movl $(__USER_DS), %edx
25    movl %edx, %ds
26    movl %edx, %es
27    movl $(__KERNEL_PERCPU), %edx
28    movl %edx, %fs
29    SET_KERNEL_GS %edx
30 .endm
　　主要作用就是将各个寄存器压入栈中。
　　第9行，比较eax的值是否大于等于nr_syscalls，nr_syscalls是比最大有效系统调用号大1的值，在/arch/x86/kernel/entry_32.S中定义：

1 #define nr_syscalls ((syscall_table_size)/4)
　　其中syscall_table_size就是系统调用表的大小（单位：字节），syscall_table_size其实是一个数组，数组里存放的是各个系统调用函数的地址，元素类型是long型，除以4刚好是系统调用函数的个数。
　　如果从eax寄存器传进来的系统调用号有效，那么就执行第12行，在系统调用表里找到相应的系统调用服务程序，sys_call_table在/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S中定义：

1 ENTRY(sys_call_table)
2    .long sys_restart_syscall /* 0 - old "setup()" system call, used for restarting */
3    .long sys_exit
4    .long ptregs_fork
5    .long sys_read
6    .long sys_write
7    .long sys_open       /* 5 */
8    .long sys_close
9 .................
*sys_call_table(,%eax,4)指的是sys_call_table里偏移量为%eax*4上的那个值指向的函数，这里%eax=3，那么第5行的sys_read()函数就会被调用。sys_read()在/fs/read_write.c中定义：

1 SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
2 {
3       struct file *file;
4       ssize_t ret = -EBADF;
5       int fput_needed;
6
7       file = fget_light(fd, &fput_needed);
8       if (file) {
9                loff_t pos = file_pos_read(file);
10                ret = vfs_read(file, buf, count, &pos);
11                file_pos_write(file, pos);
12                fput_light(file, fput_needed);
13       }
14
15       return ret;
16 }
　　可见，参数的形式和用户空间的一样。SYSCALL_DEFINE3是一个宏，在/include/linux/syscalls.h中定义：

1 #define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)
　　SYSCALL_DEFINEx也是一个宏，也在此文件中定义：

1 #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)             \
2    __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)
3 .....
4 #define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...)                   \
5    asmlinkage long sys##name(__SC_DECL##x(__VA_ARGS__))
6 ......
　　宏展开后，就是声明了这么一个函数：

asmlinkage long sys_read(unsigned int fd, char __user *buf, size_t count);
　　asmlingage是一个宏，定义为：__attribute__((regparm(0)))，作用是让这个函数只从栈上获取参数（因为之前的SAVE_ALL将参数压到了栈里面）。
　　    当执行完中断处理程序后，后面会调用RESTORE_REGS来恢复各个寄存器：

1 ..............
2    CFI_REMEMBER_STATE
3    je ldt_ss          # returning to user-space with LDT SS
4 restore_nocheck:
5    RESTORE_REGS 4          # skip orig_eax/error_code
6 ...............
　　第5行，RESTORE_REGS的定义：

1 .macro RESTORE_REGS pop=0
2    RESTORE_INT_REGS
3 1: popl_cfi %ds
4    /*CFI_RESTORE ds;*/
5 2: popl_cfi %es
6    /*CFI_RESTORE es;*/
7 3: popl_cfi %fs
8    /*CFI_RESTORE fs;*/
9    POP_GS \pop
10 .................
　　第2行，RESTORE_INT_REGS的定义：

1 .macro RESTORE_INT_REGS
2    popl_cfi %ebx
3    CFI_RESTORE ebx
4    popl_cfi %ecx
5    CFI_RESTORE ecx
6    popl_cfi %edx
7    CFI_RESTORE edx
8    popl_cfi %esi
9    CFI_RESTORE esi
10    popl_cfi %edi
11    CFI_RESTORE edi
12    popl_cfi %ebp
13    CFI_RESTORE ebp
14    popl_cfi %eax
15    CFI_RESTORE eax
16 .endm
　　到这里差不多了，再对read()跟踪的话就会涉及文件系统方面的内容，以后会说的。
　　 (责任编辑：IT)

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