【操作系统】 Linux 系统调用（一）

一、系统调用

系统调用（System Call）是操作系统提供给用户程序的一组接口，用于执行需要内核权限的操作。这些操作通常涉及到硬件资源的访问或管理，例如文件I/O、进程控制、内存管理等。以下是对系统调用的详细解释，包括其工作机制、分类、实现方式及常见示例。

1. 系统调用的工作机制

• 用户模式与内核模式：

  • 用户模式：用户程序运行在此模式下，受到严格的权限限制，不能直接访问硬件或执行特权指令。
  • 内核模式：操作系统核心代码运行在此模式下，拥有完全的硬件访问权限和执行特权指令的能力。

• 触发系统调用：
  用户程序通过特定的编程接口（如C语言中的标准库函数）发起系统调用请求。常见的触发方式包括使用特定的系统调用指令（如x86架构下的 int 0x80 或 syscall 指令）。

• 参数传递：
  系统调用所需的参数可以通过寄存器或栈传递。不同的操作系统和体系结构可能有不同的约定。例如，在Linux x86_64架构中，前6个参数通过寄存器传递（RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9），更多的参数则通过栈传递。

• 模式切换：
  当触发系统调用时，处理器会从用户模式切换到内核模式。这一步骤确保了安全性和稳定性，防止用户程序直接访问或修改关键系统资源。

• 执行系统调用处理程序：
  内核接收到系统调用请求后，根据系统调用号（每个系统调用都有一个唯一的编号）找到对应的处理程序并执行。

• 返回结果：
  执行完毕后，内核将结果返回给用户程序，并从内核模式切换回用户模式。

2. 系统调用的分类

系统调用可以根据其功能分为几大类：

• 进程控制：

  • 创建新进程（fork(), vfork()）
  • 加载和执行新程序（exec()系列函数）
  • 终止进程（exit()）

• 文件管理：

  • 文件打开、关闭（open(), close())
  • 文件读写（read(), write())
  • 文件定位（lseek())
  • 文件信息获取（stat()）

• 设备管理：

  • 设备打开、关闭
  • 设备读写

• 内存管理：

  • 动态内存分配（malloc(), free() 背后的系统调用）
  • 内存映射（mmap()）

• 网络通信：

  • 创建套接字（socket())
  • 连接到服务器（connect())
  • 发送/接收数据（send(), recv()）

• 信号类：

  • signal/sigaction/kill

3. 系统调用的实现

• 系统调用表：
  Linux内核维护了一个系统调用表（sys_call_table），其中包含了所有可用系统调用的地址。每个系统调用都有一个唯一的编号（系统调用号），这个编号用于在系统调用表中查找对应的处理程序。

  • 定义：Linux内核中存储所有系统调用函数指针的数组。
  • 作用：当用户程序调用系统调用时，内核通过这个表找到对应的处理函数。
  • 位置：位于内核内存空间，通过 /proc/kallsyms 可以查看其地址。
    • /proc/kallsyms 文件内容：包含内核中所有符号的地址和名称。
    • 格式：地址 类型 符号名 [模块名]。
    • 权限：通常需要root权限才能查看完整信息。
    • 查看系统调用表：

      cat /proc/kallsyms | grep sys_call_table
      

• 触发系统调用：
  在x86架构下，常用的触发方式有两种：

  • 使用 int 0x80 中断指令（旧的方式）
  • 使用 syscall 指令（新的方式，效率更高）

• 参数传递：
  在x86_64架构中，系统调用号放在RAX寄存器中，参数按顺序放在RDI, RSI, RDX, RCX, R8, R9寄存器中。如果参数超过6个，则通过栈传递。

• 错误处理：
  如果系统调用成功，返回值通常是非负数；如果失败，则返回-1，并设置全局变量errno来指示具体的错误原因。

4. 常见的系统调用示例

• 创建进程：

  pid_t pid = fork(); // 创建子进程
  

• 打开文件：

  int fd = open("example.txt", O_RDONLY); // 以只读模式打开文件
  

• 读取文件：

  char buffer[1024];
  ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer)); // 从文件描述符fd读取数据
  

• 发送网络数据：

  int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建TCP套接字
  send(sockfd, "Hello, Server!", 13, 0); // 向服务器发送数据
  

5. 小结

系统调用是操作系统与用户程序之间的桥梁，它提供了安全且高效的方式来访问底层硬件资源和操作系统服务。理解系统调用的工作机制、分类及其实现细节，对于编写高效、可靠的软件至关重要。无论是进行基础的文件操作还是复杂的网络编程，掌握系统调用都是至关重要的技能。

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by 久违