Linux内核分析之四——系统调用的工作机制

作者：姚开健

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《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

学过计算机操作系统的都知道，CPU工作时有两种状态，一种是用户态，一种是内核态，用户态意味着代码访问的范围会受到限制，在32位X86的机器上，4G的内存里，在用户态的时候，只能访问0x00000000－0xbfffffff的地址空间。而内核态则不受限制，可以访问任意内存地址。当程序在用户态运行时，如果需要进入内核态执行，则会产生一个中断，然后系统进行中断处理，先是保存当前运行现场，将用户态栈顶指针，状态字，cs:eip值压栈：

然后进行中断处理程序，等处理程序运行结束后，则需要恢复现场：

当我们进行编程时，可以利用系统封装好的API来间接进行调用系统调用。一个API里面可能对应一个系统调用，也可能一个也没有，封装例程会将系统调用封装好，一个例程往往对应一个系统调用，当用户程序在执行API（xyz()）调用时，将会进入封装例程（xyz()）中，由封装例程里的中断汇编代码调用系统调用处理程序（system_call），然后系统调用处理程序调用系统调用服务程序（sys_xyz()）：

这可以简化为系统调用三层皮：API，中断向量所指向的系统调用处理程序System_Call，中断服务程序Sys_xyz()。

进行系统调用时，如跟函数调用一般，也需要进行参数传递。系统调用至少有一个参数，就是系统调用号，通常会把它 传入eax寄存器，其他参数则传入其他寄存器，最多为6个参数，如果参数超过6个，则把最后一个寄存器该为指向一块剩余参数内存的指针。

下面通过两个程序来演示系统调用的工作机制：

程序一是直接调用sysinfo系统调用，返回系统信息，程序二则通过汇编代码调用系统调用，展示参数传递过程。

# include <stdio.h>
# include <sys/sysinfo.h>

int
main(int argc, char *argv[])
{
	struct sysinfo *info;
	error = sysinfo(info);
	printf("\n\ncode error = %d\n", error);
	printf("uptime: %d\n"
		"tatal ram: %d\n"
		"free ram: %d\n"
		"shared ram: %d\n"
		"buffer ram: %d\n"
		"tatal swap: %d\n"
		"free swap: %d\n"
		"process num: %d\n"
		"tatal high: %d\n"
		"free high: %d\n"
		"mem_unit: %d\n",
		sys->uptime, sys->tatalram,
		sys->freeram, sys->sharedram,
		sys->bufferram, sys->tatalswap,
		sys->freeswap, sys->procs,
		sys->tatalhigh, sys->freehigh,
		sys->mem_unit
		);
	return 0;
}

这是编译运行后程序一的执行结果：

程序二：

# include <stdio.h>
# include <sys/sysinfo.h>

int
main(int argc, char *argv[])
{
	struct sysinfo *info;
	int error;
	asm volatile(
		"mov %1, %%ebx\n\t"
		"mov $0x74, %%eax\n\t"
		"int $0x80\n\t"
		"mov %%eax, %0\n\t"
		: "=m" (error)
		: "b" (info)
		);
	printf("\n\ncode error = %d\n", error);
	printf("uptime: %d\n"
		"tatal ram: %d\n"
		"free ram: %d\n"
		"shared ram: %d\n"
		"buffer ram: %d\n"
		"tatal swap: %d\n"
		"free swap: %d\n"
		"process num: %d\n"
		"tatal high: %d\n"
		"free high: %d\n"
		"mem_unit: %d\n",
		sys->uptime, sys->tatalram,
		sys->freeram, sys->sharedram,
		sys->bufferram, sys->tatalswap,
		sys->freeswap, sys->procs,
		sys->tatalhigh, sys->freehigh,
		sys->mem_unit
		);
	return 0;
}

编译运行程序二的执行结果：

由程序二里汇编代码：

asm volatile(
		"mov %1, %%ebx\n\t"
		"mov $0x74, %%eax\n\t"
		"int $0x80\n\t"
		"mov %%eax, %0\n\t"
		: "=m" (error)
		: "b" (info)
		);

首先是把sysinfo系统调用的结构体指针参数传入ebx寄存器，接着把系统调用号0x74传入eax寄存器，接着进中断Int $0x80，最后把系统调用返回结果给error变量。可以看出，没有程序一的sysinfo(info)，程序二一样成功调用系统调用sysinfo。