Linux系统调用之一——概述导论

看了不少的书籍和博客都有讲系统调用，也很简单，即内核提供了用户进程和内核交互的一组接口；做过Linux开发的人应该也清楚系统调用的流程：应用->陷入内核、系统调用->驱动->硬件；然后也有不少人讲到0x80的中断。
但系统调用的讲解有些片面，原理并不清晰，细节更是一笔带过，看了并不能让人耳目一新，大都新瓶旧酒，比如0x80中断是怎么创建，又是怎么识别的等，后面会介绍。所以，我想分享一些自己的学习，以及自己的理解。不足之处还望评论区批评指正。

为了清晰说明，打算用图来说明，然后分别对每部分进行介绍。

1 Linux开机概述

不是说系统调用吗，怎么讲Linux开机呢？
我是想从和系统调用相关的部分，侧面去介绍下，另外标题也有说是导论，简单介绍，并不会太深入，另外博主也不是很熟悉。跟着图示，按照我的思路往下看，并有相关解释，保证有所收获。

• 电脑组成几个部分：内存、CPU、io设备（磁盘、网卡等）等
• 开机流程： 依次加载BIOS、MBR及引导程序，最后根据引导城区，从磁盘中将内核加载到内存中，并接管CPU。

我们来看这下几部分功能作用和储存位置，其中：

• BIOS—基本输出输入系统(Basic Input Output System)，功能：负责系统硬件各种参数设定；存放位置：BIOS芯片，实际上是一块ROM。详细参考 ：BIOS到底是什么
• MBR—主引导记录（Master Boot Record）功能 ：记录了启动引导程序和磁盘的分区表；存储位置：硬盘的 0 磁道。参考：主引导目录（MBR）结构及作用详解
• 引导程序—加载操作系统的内核
  以上都三部分都都是按顺序加载，并未和磁盘交互（虽然引导程序储存再0磁道）
• kernel—引导程序引导加载的操作系统
  直到kernel（操作系统，也是一段程序，实际上也是一个进程）加载，接管了CPU。

之后根据用户需要，开启JVM（java虚拟机，也是一段程序，一个进程。（当然用户空间也可以起其他进程，这里只是举例）

至此Linux开机完成。

2内存地址管理

为什么又讲到了内存地址管理呢？
我们都知道在Linux中，操作系统和驱动程序运行在内核空间，应用程序运行在用户空间。
就像Linux很少像windows一样发生蓝屏(宕机)，这里内存地址的管理是其中很重要的因素之一。在Linux kernel接管CPU之后，就开启了CPU 保护模式，即将CPU权限分为ring0-ring3（Linux中内核ring0，用户空间ring3），将内存段的限制信息放在一个叫做全局描述符表(GDT)，由此将内存分开，也就是我们常说的，用户空间和内核空间。为了保证用户空间不会影响到内核空间，用户指令也就无法直接访问内核空间。

我们都知道硬件设备通过各类管脚和CPU连接，然后通过硬中断（一般也称为中断）信号，和进行CPU交互。此时普通用户进程怎么办呢？如何与CPU交互？怎么通过读取磁盘文件呢？这能难得倒人类？

如果用户空间指令要访问内核空间就需要通过态的切换和系统调用，也就是常说的陷入内核的方式进行访问，也就是软中断的一种。

比如此时我们的JVM要读取磁盘文件，就可以通过这种方式。

其实，这里出现了一个矛盾：段机制使得内核处于保护模式下，用户空间读取指令无法访问用户空间，但是可以通过软中断的方式进行间接访问磁盘。

那JVM是如何读取磁盘文件的呢？肯定有人觉得我在卖弄，谁不知道，通过0x80中断实现的呢！确实图上也有说明，但是为什么会在这里触发该中断呢？

是因为在代码编译时，编译器发现当有访问内核的代码时，加入0x80软中断，当运行到这里时，将陷入内核，访问驱动读写接口，完成指令。这一点估计很多人都不知道，大家都是知道0x80软中断触发系统调用。在这里编译器起到关键作用。（有兴趣编译下看看，提示因为需要系统调用，调用内核接口，最好使用makefile，编译出汇编）

所以这也就是我要在这里说这个的原因了。
另外，这里提到了一些专业名词：
保护模式，相对实模式而言，可参考：CPU的实模式和保护模式）
关于内核空间用户空间介绍，可参看：内核空间和用户空间简介

3系统调用

到这里才进入这篇博客正题，什么时系统调用？我的理解如下：
计算机，即软件工程学。内核管理硬件，通过对进程提供方法调用程序，不需要重复造轮子，即硬件的使用方法被内核封装，也就是说在程序开发时，不需要自己实现，只需要调用内核即可内核将硬件描述成文件，并提供接口给进程调用。

实际上开始只是介绍了，为什么要系统调用，Linux又是怎么实现系统调用。

• 1、由于CPU的保护模式，进程是不能访问内核的，它不能直接访问内核所占内存空间也不能调用内核函数。
• 2、为了和用户空间上运行的进程进行交互，内核提供了一组接口。透过该接口，应用程序可以访问硬件设备和其他操作系统资源。系统调用都是通过软件中断实现的，x86系统上的软件中断由int $0x80指令产生，在程序编译是由编译器实现该中断。

我们已经知道Linux下的系统调用是通过0x80实现的，但是我们知道操作系统会有多个系统调用（Linux下有300多个系统调用）， 而对于 同一个中断号是如何处理多个不同的系统调用的？ 最简单的方式是对于不同的系统调用采用不同的中断号，但是中断号明显是一种稀缺资源，Linux显然不会这么做；还有一个问题就是 系统调用是需要提供参数，并且具有返回值的，这些参数又是怎么传递的？ 实际上我们应该都看过系统调用的函数，Linux系统通过下面两点来实现：

• 1、函数名称转换。
• 2、调用的参数传递。

看了一些博客，一般大而全，让初学者看的有点艰涩，可能望而却步，我想通过自己的理解写一些让初学者一目了然的博客，这篇概述就暂时到这，后续将继续介绍——系统调用。

深入学习请移步：Linux系统调用之二——调用机制