本文介紹了系統(tǒng)調(diào)用的一些實現(xiàn)細節(jié)。首先分析了系統(tǒng)調(diào)用的意義，它們與庫函數(shù)和應(yīng)用程序接口(API)有怎樣的關(guān)系。然后，我們考察了Linux內(nèi)核如何實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，以及執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的連鎖反應(yīng)：陷入內(nèi)核，傳遞系統(tǒng)調(diào)用號和參數(shù)，執(zhí)行正確的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，并把返回值帶回用戶空間。最后討論了如何增加系統(tǒng)調(diào)用，并提供了從用戶空間訪問系統(tǒng)調(diào)用的簡單例子。

系統(tǒng)調(diào)用概述

計算機系統(tǒng)的各種硬件資源是有限的，在現(xiàn)代多任務(wù)操作系統(tǒng)上同時運行的多個進程都需要訪問這些資源，為了更好的管理這些資源進程是不允許直接操作的，所有對這些資源的訪問都必須有操作系統(tǒng)控制。也就是說操作系統(tǒng)是使用這些資源的唯一入口，而這個入口就是操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用（System Call）。在linux中系統(tǒng)調(diào)用是用戶空間訪問內(nèi)核的唯一手段，除異常和陷入外，他們是內(nèi)核唯一的合法入口。

一般情況下應(yīng)用程序通過應(yīng)用編程接口API，而不是直接通過系統(tǒng)調(diào)用來編程。在Unix世界，最流行的API是基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)的。

操作系統(tǒng)一般是通過中斷從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。中斷就是一個硬件或軟件請求，要求CPU暫停當(dāng)前的工作，去處理更重要的事情。比如，在x86機器上可以通過int指令進行軟件中斷，而在磁盤完成讀寫操作后會向CPU發(fā)起硬件中斷。

中斷有兩個重要的屬性，中斷號和中斷處理程序。中斷號用來標(biāo)識不同的中斷，不同的中斷具有不同的中斷處理程序。在操作系統(tǒng)內(nèi)核中維護著一個中斷向量表（Interrupt Vector Table），這個數(shù)組存儲了所有中斷處理程序的地址，而中斷號就是相應(yīng)中斷在中斷向量表中的偏移量。

一般地，系統(tǒng)調(diào)用都是通過軟件中斷實現(xiàn)的，x86系統(tǒng)上的軟件中斷由int $0x80指令產(chǎn)生，而128號異常處理程序就是系統(tǒng)調(diào)用處理程序system_call()，它與硬件體系有關(guān)，在entry.S中用匯編寫。接下來就來看一下Linux下系統(tǒng)調(diào)用具體的實現(xiàn)過程。

為什么需要系統(tǒng)調(diào)用

linux內(nèi)核中設(shè)置了一組用于實現(xiàn)系統(tǒng)功能的子程序，稱為系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用和普通庫函數(shù)調(diào)用非常相似，只是系統(tǒng)調(diào)用由操作系統(tǒng)核心提供，運行于內(nèi)核態(tài)，而普通的函數(shù)調(diào)用由函數(shù)庫或用戶自己提供，運行于用戶態(tài)。

一般的，進程是不能訪問內(nèi)核的。它不能訪問內(nèi)核所占內(nèi)存空間也不能調(diào)用內(nèi)核函數(shù)。CPU硬件決定了這些（這就是為什么它被稱作“保護模式”

為了和用戶空間上運行的進程進行交互，內(nèi)核提供了一組接口。透過該接口，應(yīng)用程序可以訪問硬件設(shè)備和其他操作系統(tǒng)資源。這組接口在應(yīng)用程序和內(nèi)核之間扮演了使者的角色，應(yīng)用程序發(fā)送各種請求，而內(nèi)核負責(zé)滿足這些請求(或者讓應(yīng)用程序暫時擱置)。實際上提供這組接口主要是為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，避免應(yīng)用程序肆意妄行，惹出大麻煩。

系統(tǒng)調(diào)用在用戶空間進程和硬件設(shè)備之間添加了一個中間層。該層主要作用有三個：

它為用戶空間提供了一種統(tǒng)一的硬件的抽象接口。比如當(dāng)需要讀些文件的時候，應(yīng)用程序就可以不去管磁盤類型和介質(zhì)，甚至不用去管文件所在的文件系統(tǒng)到底是哪種類型。

系統(tǒng)調(diào)用保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。作為硬件設(shè)備和應(yīng)用程序之間的中間人，內(nèi)核可以基于權(quán)限和其他一些規(guī)則對需要進行的訪問進行裁決。舉例來說，這樣可以避免應(yīng)用程序不正確地使用硬件設(shè)備，竊取其他進程的資源，或做出其他什么危害系統(tǒng)的事情。

每個進程都運行在虛擬系統(tǒng)中，而在用戶空間和系統(tǒng)的其余部分提供這樣一層公共接口，也是出于這種考慮。如果應(yīng)用程序可以隨意訪問硬件而內(nèi)核又對此一無所知的話，幾乎就沒法實現(xiàn)多任務(wù)和虛擬內(nèi)存，當(dāng)然也不可能實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和安全性。在Linux中，系統(tǒng)調(diào)用是用戶空間訪問內(nèi)核的惟一手段；除異常和中斷外，它們是內(nèi)核惟一的合法入口。

API/POSIX/C庫的區(qū)別與聯(lián)系

一般情況下，應(yīng)用程序通過應(yīng)用編程接口(API)而不是直接通過系統(tǒng)調(diào)用來編程。這點很重要，因為應(yīng)用程序使用的這種編程接口實際上并不需要和內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用一一對應(yīng)。

一個API定義了一組應(yīng)用程序使用的編程接口。它們可以實現(xiàn)成一個系統(tǒng)調(diào)用，也可以通過調(diào)用多個系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)，而完全不使用任何系統(tǒng)調(diào)用也不存在問題。實際上，API可以在各種不同的操作系統(tǒng)上實現(xiàn)，給應(yīng)用程序提供完全相同的接口，而它們本身在這些系統(tǒng)上的實現(xiàn)卻可能迥異。

在Unix世界中，最流行的應(yīng)用編程接口是基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)的，其目標(biāo)是提供一套大體上基于Unix的可移植操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。POSIX是說明API和系統(tǒng)調(diào)用之間關(guān)系的一個極好例子。在大多數(shù)Unix系統(tǒng)上，根據(jù)POSIX而定義的API函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用之間有著直接關(guān)系。

Linux的系統(tǒng)調(diào)用像大多數(shù)Unix系統(tǒng)一樣，作為C庫的一部分提供如下圖所示。C庫實現(xiàn)了 Unix系統(tǒng)的主要API，包括標(biāo)準(zhǔn)C庫函數(shù)和系統(tǒng)調(diào)用。所有的C程序都可以使用C庫，而由于C語言本身的特點，其他語言也可以很方便地把它們封裝起來使用。

從程序員的角度看，系統(tǒng)調(diào)用無關(guān)緊要，他們只需要跟API打交道就可以了。相反，內(nèi)核只跟系統(tǒng)調(diào)用打交道；庫函數(shù)及應(yīng)用程序是怎么使用系統(tǒng)調(diào)用不是內(nèi)核所關(guān)心的。

關(guān)于Unix的界面設(shè)計有一句通用的格言“提供機制而不是策略”。換句話說，Unix的系統(tǒng)調(diào)用抽象出了用于完成某種確定目的的函數(shù)。至干這些函數(shù)怎么用完全不需要內(nèi)核去關(guān)心。區(qū)別對待機制(mechanism)和策略(policy)是Unix設(shè)計中的一大亮點。大部分的編程問題都可以被切割成兩個部分:“需要提供什么功能”(機制)和“怎樣實現(xiàn)這些功能”(策略)。

區(qū)別

api是函數(shù)的定義，規(guī)定了這個函數(shù)的功能，跟內(nèi)核無直接關(guān)系。而系統(tǒng)調(diào)用是通過中斷向內(nèi)核發(fā)請求，實現(xiàn)內(nèi)核提供的某些服務(wù)。

聯(lián)系

一個api可能會需要一個或多個系統(tǒng)調(diào)用來完成特定功能。通俗點說就是如果這個api需要跟內(nèi)核打交道就需要系統(tǒng)調(diào)用，否則不需要。

程序員調(diào)用的是API（API函數(shù)），然后通過與系統(tǒng)調(diào)用共同完成函數(shù)的功能。

因此，API是一個提供給應(yīng)用程序的接口，一組函數(shù)，是與程序員進行直接交互的。

系統(tǒng)調(diào)用則不與程序員進行交互的，它根據(jù)API函數(shù)，通過一個軟中斷機制向內(nèi)核提交請求，以獲取內(nèi)核服務(wù)的接口。

并不是所有的API函數(shù)都一一對應(yīng)一個系統(tǒng)調(diào)用，有時，一個API函數(shù)會需要幾個系統(tǒng)調(diào)用來共同完成函數(shù)的功能，甚至還有一些API函數(shù)不需要調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用（因此它所完成的不是內(nèi)核提供的服務(wù)）

系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)原理

基本機制

前文已經(jīng)提到了Linux下的系統(tǒng)調(diào)用是通過0x80實現(xiàn)的，但是我們知道操作系統(tǒng)會有多個系統(tǒng)調(diào)用（Linux下有319個系統(tǒng)調(diào)用），而對于同一個中斷號是如何處理多個不同的系統(tǒng)調(diào)用的？最簡單的方式是對于不同的系統(tǒng)調(diào)用采用不同的中斷號，但是中斷號明顯是一種稀缺資源，Linux顯然不會這么做；還有一個問題就是系統(tǒng)調(diào)用是需要提供參數(shù)，并且具有返回值的，這些參數(shù)又是怎么傳遞的？也就是說，對于系統(tǒng)調(diào)用我們要搞清楚兩點：

系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)名稱轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)傳遞。

首先看第一個問題。實際上，Linux中每個系統(tǒng)調(diào)用都有相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用號作為唯一的標(biāo)識，內(nèi)核維護一張系統(tǒng)調(diào)用表，sys_call_table，表中的元素是系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的起始地址，而系統(tǒng)調(diào)用號就是系統(tǒng)調(diào)用在調(diào)用表的偏移量。在x86上，系統(tǒng)調(diào)用號是通過eax寄存器傳遞給內(nèi)核的。比如fork（）的實現(xiàn)：

用戶空間的程序無法直接執(zhí)行內(nèi)核代碼。它們不能直接調(diào)用內(nèi)核空間中的函數(shù)，因為內(nèi)核駐留在受保護的地址空間上。如果進程可以直接在內(nèi)核的地址空間上讀寫的話，系統(tǒng)安全就會失去控制。所以，應(yīng)用程序應(yīng)該以某種方式通知系統(tǒng)，告訴內(nèi)核自己需要執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用，希望系統(tǒng)切換到內(nèi)核態(tài)，這樣內(nèi)核就可以代表應(yīng)用程序來執(zhí)行該系統(tǒng)調(diào)用了。

通知內(nèi)核的機制是靠軟件中斷實現(xiàn)的。首先，用戶程序為系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置參數(shù)。其中一個參數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用編號。參數(shù)設(shè)置完成后，程序執(zhí)行“系統(tǒng)調(diào)用”指令。x86系統(tǒng)上的軟中斷由int產(chǎn)生。這個指令會導(dǎo)致一個異常：產(chǎn)生一個事件，這個事件會致使處理器切換到內(nèi)核態(tài)并跳轉(zhuǎn)到一個新的地址，并開始執(zhí)行那里的異常處理程序。此時的異常處理程序?qū)嶋H上就是系統(tǒng)調(diào)用處理程序。它與硬件體系結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

新地址的指令會保存程序的狀態(tài)，計算出應(yīng)該調(diào)用哪個系統(tǒng)調(diào)用，調(diào)用內(nèi)核中實現(xiàn)那個系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)，恢復(fù)用戶程序狀態(tài)，然后將控制權(quán)返還給用戶程序。系統(tǒng)調(diào)用是設(shè)備驅(qū)動程序中定義的函數(shù)最終被調(diào)用的一種方式。

從系統(tǒng)分析的角度，linux的系統(tǒng)調(diào)用涉及4個方面的問題。

響應(yīng)函數(shù)sys_xxx

響應(yīng)函數(shù)名以“sys_”開頭，后跟該系統(tǒng)調(diào)用的名字。

例如 系統(tǒng)調(diào)用fork()的響應(yīng)函數(shù)是sys_fork()(見Kernel/fork.c), exit()的響應(yīng)函數(shù)是sys_exit()(見kernel/fork.)。

系統(tǒng)調(diào)用表與系統(tǒng)調(diào)用號-=>數(shù)組與下標(biāo)

文件include/asm/unisted.h為每個系統(tǒng)調(diào)用規(guī)定了唯一的編號。

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在我們系統(tǒng)中/usr/include/asm/unistd_32.h，可以通過find / -name unistd_32.h -print查找） 而內(nèi)核中的頭文件路徑不同的內(nèi)核版本以及不同的發(fā)行版，文件的存儲結(jié)構(gòu)可能有所區(qū)別

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假設(shè)用name表示系統(tǒng)調(diào)用的名稱，那么系統(tǒng)調(diào)用號與系統(tǒng)調(diào)用響應(yīng)函數(shù)的關(guān)系是：以系統(tǒng)調(diào)用號_NR_name作為下標(biāo)，可找出系統(tǒng)調(diào)用表sys_call_table(見arch/i386/kernel/entry.S)中對應(yīng)表項的內(nèi)容，它正好是該系統(tǒng)調(diào)用的響應(yīng)函數(shù)sys_name的入口地址。 系統(tǒng)調(diào)用表sys_call_table記錄了各sys_name函數(shù)在表中的位置，共190項。有了這張表，就很容易根據(jù)特定系統(tǒng)調(diào)用

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在表中的偏移量，找到對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用響應(yīng)函數(shù)的入口地址。系統(tǒng)調(diào)用表共256項，余下的項是可供用戶自己添加的系統(tǒng)調(diào)用空間。

在Linux中，每個系統(tǒng)調(diào)用被賦予一個系統(tǒng)調(diào)用號。這樣，通過這個獨一無二的號就可以關(guān)聯(lián)系統(tǒng)調(diào)用。當(dāng)用戶空間的進程執(zhí)行一個系統(tǒng)調(diào)用的時候，這個系統(tǒng)調(diào)用號就被用來指明到底是要執(zhí)行哪個系統(tǒng)調(diào)用。進程不會提及系統(tǒng)調(diào)用的名稱。

系統(tǒng)調(diào)用號相當(dāng)關(guān)鍵，一旦分配就不能再有任何變更，否則編譯好的應(yīng)用程序就會崩潰。Linux有一個“未實現(xiàn)”系統(tǒng)調(diào)用sys_ni_syscall()，它除了返回一ENOSYS外不做任何其他工作，這個錯誤號就是專門針對無效的系統(tǒng)調(diào)用而設(shè)的。

因為所有的系統(tǒng)調(diào)用陷入內(nèi)核的方式都一樣，所以僅僅是陷入內(nèi)核空間是不夠的。因此必須把系統(tǒng)調(diào)用號一并傳給內(nèi)核。在x86上，系統(tǒng)調(diào)用號是通過eax寄存器傳遞給內(nèi)核的。在陷人內(nèi)核之前，用戶空間就把相應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用所對應(yīng)的號放入eax中了。這樣系統(tǒng)調(diào)用處理程序一旦運行，就可以從eax中得到數(shù)據(jù)。其他體系結(jié)構(gòu)上的實現(xiàn)也都類似。

內(nèi)核記錄了系統(tǒng)調(diào)用表中的所有已注冊過的系統(tǒng)調(diào)用的列表，存儲在sys_call_table中。它與體系結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在entry.s中定義。這個表中為每一個有效的系統(tǒng)調(diào)用指定了惟一的系統(tǒng)調(diào)用號。sys_call_table是一張由指向?qū)崿F(xiàn)各種系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核函數(shù)的函數(shù)指針組成的表：system_call()函數(shù)通過將給定的系統(tǒng)調(diào)用號與NR_syscalls做比較來檢查其有效性。如果它大于或者等于NR syscalls,該函數(shù)就返回一ENOSYS。否則，就執(zhí)行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用。

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call *sys_ call-table(，%eax, 4)

由于系統(tǒng)調(diào)用表中的表項是以32位(4字節(jié))類型存放的，所以內(nèi)核需要將給定的系統(tǒng)調(diào)用號乘以4，然后用所得的結(jié)果在該表中查詢其位置

進程的系統(tǒng)調(diào)用命令轉(zhuǎn)換為INT 0x80中斷的過程

宏定義_syscallN()見include/asm/unisted.h)用于系統(tǒng)調(diào)用的格式轉(zhuǎn)換和參數(shù)的傳遞。N取0~5之間的整數(shù)。

參數(shù)個數(shù)為N的系統(tǒng)調(diào)用由_syscallN()負責(zé)格式轉(zhuǎn)換和參數(shù)傳遞。系統(tǒng)調(diào)用號放入EAX寄存器，啟動INT 0x80后，規(guī)定返回值送EAX寄存器。

系統(tǒng)調(diào)用功能模塊的初始化

對系統(tǒng)調(diào)用的初始化也就是對INT 0x80的初始化。

系統(tǒng)啟動時，匯編子程序setup_idt(見arch/i386/kernel/head.S)準(zhǔn)備了1張256項的idt表，由start_kernel()(見init/main.c),trap_init()(見arch/i386/kernel/traps.c)調(diào)用的C語言宏定義set_system_gate(0x80,&system_call)(見include/asm/system.h)設(shè)置0x80號軟中斷的服務(wù)程序為 system_call(見arch/i386/kernel/entry.S), system.call就是所有系統(tǒng)調(diào)用的總?cè)肟凇?/p>

內(nèi)核如何為各種系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)

當(dāng)進程需要進行系統(tǒng)調(diào)用時，必須以C語言函數(shù)的形式寫一句系統(tǒng)調(diào)用命令。該命令如果已在某個頭文件中由相應(yīng)的_syscallN()展開，則用戶程序必須包含該文件。當(dāng)進程執(zhí)行到用戶程序的系統(tǒng)調(diào)用命令時，實際上執(zhí)行了由宏命令_syscallN()展開的函數(shù)。系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù) 由各通用寄存器傳遞，然后執(zhí)行INT 0x80，以內(nèi)核態(tài)進入入口地址system_call。

ret_from_sys_call

以ret_from_sys_call入口的匯編程序段在linux進程管理中起到了十分重要的作用。

所有系統(tǒng)調(diào)用結(jié)束前以及大部分中斷服務(wù)返回前，都會跳轉(zhuǎn)至此處入口地址。 該段程序不僅僅為系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)，它還處理中斷嵌套、CPU調(diào)度、信號等事務(wù)。

內(nèi)核如何為系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)傳遞參數(shù)

參數(shù)傳遞

除了系統(tǒng)調(diào)用號以外，大部分系統(tǒng)調(diào)用都還需要一些外部的參數(shù)輸人。所以，在發(fā)生異常的時候，應(yīng)該把這些參數(shù)從用戶空間傳給內(nèi)核。最簡單的辦法就是像傳遞系統(tǒng)調(diào)用號一樣把這些參數(shù)也存放在寄存器里。在x86系統(tǒng)上，ebx, ecx, edx, esi和edi按照順序存放前五個參數(shù)。需要六個或六個以上參數(shù)的情況不多見，此時，應(yīng)該用一個單獨的寄存器存放指向所有這些參數(shù)在用戶空間地址的指針。

給用戶空間的返回值也通過寄存器傳遞。在x86系統(tǒng)上，它存放在eax寄存器中。接下來許多關(guān)于系統(tǒng)調(diào)用處理程序的描述都是針對x86版本的。但不用擔(dān)心，所有體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)都很類似。

參數(shù)驗證

系統(tǒng)調(diào)用必須仔細檢查它們所有的參數(shù)是否合法有效。舉例來說，與文件I/O相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用必須檢查文件描述符是否有效。與進程相關(guān)的函數(shù)必須檢查提供的PID是否有效。必須檢查每個參數(shù)，保證它們不但合法有效，而且正確。

最重要的一種檢查就是檢查用戶提供的指針是否有效。試想，如果一個進程可以給內(nèi)核傳遞指針而又無須被檢查，那么它就可以給出一個它根本就沒有訪問權(quán)限的指針，哄騙內(nèi)核去為它拷貝本不允許它訪問的數(shù)據(jù)，如原本屬于其他進程的數(shù)據(jù)。在接收一個用戶空間的指針之前，內(nèi)核必須保證：

指針指向的內(nèi)存區(qū)域?qū)儆谟脩艨臻g。進程決不能哄騙內(nèi)核去讀內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)。

指針指向的內(nèi)存區(qū)域在進程的地址空間里。進程決不能哄騙內(nèi)核去讀其他進程的數(shù)據(jù)。

如果是讀，該內(nèi)存應(yīng)被標(biāo)記為可讀。如果是寫，該內(nèi)存應(yīng)被標(biāo)記為可寫。進程決不能繞過內(nèi)存訪問限制。

內(nèi)核提供了兩個方法來完成必須的檢查和內(nèi)核空間與用戶空間之間數(shù)據(jù)的來回拷貝。注意，內(nèi)核無論何時都不能輕率地接受來自用戶空間的指針!這兩個方法中必須有一個被調(diào)用。為了向用戶空間寫入數(shù)據(jù)，內(nèi)核提供了copy_to_user()，它需要三個參數(shù)。第一個參數(shù)是進程空間中的目的內(nèi)存地址。第二個是內(nèi)核空間內(nèi)的源地址。最后一個參數(shù)是需要拷貝的數(shù)據(jù)長度(字節(jié)數(shù))。

為了從用戶空間讀取數(shù)據(jù)，內(nèi)核提供了copy_from_ user()，它和copy-to-User()相似。該函數(shù)把第二個參數(shù)指定的位置上的數(shù)據(jù)拷貝到第一個參數(shù)指定的位置上，拷貝的數(shù)據(jù)長度由第三個參數(shù)決定。

如果執(zhí)行失敗，這兩個函數(shù)返回的都是沒能完成拷貝的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。如果成功，返回0。當(dāng)出現(xiàn)上述錯誤時，系統(tǒng)調(diào)用返回標(biāo)準(zhǔn)-EFAULT。

注意copy_to_user()和copy_from_user()都有可能引起阻塞。當(dāng)包含用戶數(shù)據(jù)的頁被換出到硬盤上而不是在物理內(nèi)存上的時候，這種情況就會發(fā)生。此時，進程就會休眠，直到缺頁處理程序?qū)⒃擁搹挠脖P重新?lián)Q回物理內(nèi)存。

系統(tǒng)調(diào)用的返回值

系統(tǒng)調(diào)用(在Linux中常稱作syscalls)通常通過函數(shù)進行調(diào)用。它們通常都需要定義一個或幾個參數(shù)(輸入)而且可能產(chǎn)生一些副作用，例如寫某個文件或向給定的指針拷貝數(shù)據(jù)等等。為防止和正常的返回值混淆，系統(tǒng)調(diào)用并不直接返回錯誤碼，而是將錯誤碼放入一個名為errno的全局變量中。通常用一個負的返回值來表明錯誤。返回一個0值通常表明成功。如果一個系統(tǒng)調(diào)用失敗，你可以讀出errno的值來確定問題所在。通過調(diào)用perror()庫函數(shù)，可以把該變量翻譯成用戶可以理解的錯誤字符串。

errno不同數(shù)值所代表的錯誤消息定義在errno.h中，你也可以通過命令”man 3 errno”來察看它們。需要注意的是，errno的值只在函數(shù)發(fā)生錯誤時設(shè)置，如果函數(shù)不發(fā)生錯誤，errno的值就無定義，并不會被置為0。另外，在處理errno前最好先把它的值存入另一個變量，因為在錯誤處理過程中，即使像printf()這樣的函數(shù)出錯時也會改變errno的值。

當(dāng)然，系統(tǒng)調(diào)用最終具有一種明確的操作。舉例來說，如getpid()系統(tǒng)調(diào)用，根據(jù)定義它會返回當(dāng)前進程的PID。內(nèi)核中它的實現(xiàn)非常簡單:

asmlinkage long sys_ getpid(void)
{
    return current-> tgid;
}

上述的系統(tǒng)調(diào)用盡管非常簡單，但我們還是可以從中發(fā)現(xiàn)兩個特別之處。首先，注意函數(shù)聲明中的asmlinkage限定詞，這是一個小戲法，用于通知編譯器僅從棧中提取該函數(shù)的參數(shù)。所有的系統(tǒng)調(diào)用都需要這個限定詞。其次，注意系統(tǒng)調(diào)用get_pid()在內(nèi)核中被定義成sys_ getpid。這是Linux中所有系統(tǒng)調(diào)用都應(yīng)該遵守的命名規(guī)則。

訪問系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用上下文

內(nèi)核在執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用的時候處于進程上下文。current指針指向當(dāng)前任務(wù)，即引發(fā)系統(tǒng)調(diào)用的那個進程。

在進程上下文中，內(nèi)核可以休眠并且可以被搶占。這兩點都很重要。首先，能夠休眠說明系統(tǒng)調(diào)用可以使用內(nèi)核提供的絕大部分功能。休眠的能力會給內(nèi)核編程帶來極大便利。在進程上下文中能夠被搶占，其實表明，像用戶空間內(nèi)的進程一樣，當(dāng)前的進程同樣可以被其他進程搶占。因為新的進程可以使用相同的系統(tǒng)調(diào)用，所以必須小心，保證該系統(tǒng)調(diào)用是可重人的。當(dāng)然，這也是在對稱多處理中必須同樣關(guān)心的問題。

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用返回的時候，控制權(quán)仍然在system_call()中，它最終會負責(zé)切換到用戶空間并讓用戶進程繼續(xù)執(zhí)行下去。

系統(tǒng)調(diào)用訪問示例

操作系統(tǒng)使用系統(tǒng)調(diào)用表將系統(tǒng)調(diào)用編號翻譯為特定的系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)調(diào)用表包含有實現(xiàn)每個系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)的地址。例如，read() 系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)名為sys_read。read()系統(tǒng)調(diào)用編號是 3，所以sys_read() 位于系統(tǒng)調(diào)用表的第四個條目中（因為系統(tǒng)調(diào)用起始編號為0）。從地址 sys_call_table + (3 * word_size) 讀取數(shù)據(jù)，得到sys_read()的地址。

找到正確的系統(tǒng)調(diào)用地址后，它將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給那個系統(tǒng)調(diào)用。我們來看定義sys_read()的位置，即fs/read_write.c文件。這個函數(shù)會找到關(guān)聯(lián)到 fd 編號（傳遞給 read() 函數(shù)的）的文件結(jié)構(gòu)體。那個結(jié)構(gòu)體包含指向用來讀取特定類型文件數(shù)據(jù)的函數(shù)的指針。進行一些檢查后，它調(diào)用與文件相關(guān)的 read() 函數(shù)，來真正從文件中讀取數(shù)據(jù)并返回。與文件相關(guān)的函數(shù)是在其他地方定義的 —— 比如套接字代碼、文件系統(tǒng)代碼，或者設(shè)備驅(qū)動程序代碼。這是特定內(nèi)核子系統(tǒng)最終與內(nèi)核其他部分協(xié)作的一個方面。

讀取函數(shù)結(jié)束后，從sys_read()返回，它將控制權(quán)切換給 ret_from_sys。它會去檢查那些在切換回用戶空間之前需要完成的任務(wù)。如果沒有需要做的事情，那么就恢復(fù)用戶進程的狀態(tài)，并將控制權(quán)交還給用戶程序。

從用戶空間直接訪問系統(tǒng)調(diào)用

通常，系統(tǒng)調(diào)用靠C庫支持。用戶程序通過包含標(biāo)準(zhǔn)頭文件并和C庫鏈接，就可以使用系統(tǒng)調(diào)用(或者調(diào)用庫函數(shù)，再由庫函數(shù)實際調(diào)用)。但如果你僅僅寫出系統(tǒng)調(diào)用，glibc庫恐怕并不提供支持。值得慶幸的是，Linux本身提供了一組宏，用于直接對系統(tǒng)調(diào)用進行訪問。它會設(shè)置好寄存器并調(diào)用陷人指令。這些宏是_syscalln()，其中n的范圍從0到6。代表需要傳遞給系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)個數(shù)，這是由于該宏必須了解到底有多少參數(shù)按照什么次序壓入寄存器。舉個例子，open()系統(tǒng)調(diào)用的定義是:

long open(const char *filename, int flags, int mode)
而不靠庫支持，直接調(diào)用此系統(tǒng)調(diào)用的宏的形式為:
#define NR_ open 5
syscall3(long, open, const char*，filename, int, flags, int, mode)
這樣，應(yīng)用程序就可以直接使用open()
對于每個宏來說，都有2+ n個參數(shù)。
第一個參數(shù)對應(yīng)著系統(tǒng)調(diào)用的返回值類型。
第二個參數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用的名稱。再以后是按照系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)的順序排列的每個參數(shù)的類型和名稱。
_NR_ open在中定義，是系統(tǒng)調(diào)用號。該宏會被擴展成為內(nèi)嵌匯編的C函數(shù)。由匯編語言執(zhí)行前一節(jié)所討論的步驟，將系統(tǒng)調(diào)用號和參數(shù)壓入寄存器并觸發(fā)軟中斷來陷入內(nèi)核。調(diào)用open()系統(tǒng)調(diào)用直接把上面的宏放置在應(yīng)用程序中就可以了。
讓我們寫一個宏來使用前面編寫的foo()系統(tǒng)調(diào)用，然后再寫出測試代碼炫耀一下我們所做的努力。
#define NR foo 283
_sysca110(long, foo)
int main()
{
long stack size;
stack_ size=foo();
printf("The kernel stack
size is 81d/n"，stack_ size);
return;
}

添加系統(tǒng)調(diào)用

通過修改內(nèi)核源代碼添加系統(tǒng)調(diào)用

linux-2.6.*

通過以上分析linux系統(tǒng)調(diào)用的過程，

將自己的系統(tǒng)調(diào)用加到內(nèi)核中就是一件容易的事情。下面介紹一個實際的系統(tǒng)調(diào)用，

并把它加到內(nèi)核中去。要增加的系統(tǒng)調(diào)用是：inttestsyscall()，其功能是在控制終端屏幕上顯示hello world，

執(zhí)行成功后返回0。

編寫int testsyscall()系統(tǒng)調(diào)用–響應(yīng)函數(shù)

編寫一個系統(tǒng)調(diào)用意味著要給內(nèi)核增加1個函數(shù)，將新函數(shù)放入文件kernel/sys.c中。新函數(shù)代碼如下：
asmlingkage sys_testsyscall()
{ 
    print("hello world\n");    
    return 0;
 }

添加系統(tǒng)調(diào)用號

編寫了新的系統(tǒng)調(diào)用過程后，下一項任務(wù)是使內(nèi)核的其余部分知道這一程序的存在，然后重建包含新的系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核。為了把新的函數(shù)連接到已有的內(nèi)核中去， 需要編輯2個文件：

1).inculde/asm/unistd.h在這個文件中加入

#define_NR_testsyscall 191

系統(tǒng)調(diào)用表中添加對應(yīng)項

2).are/i386/kernel/entry.s這個文件用來對指針數(shù)組初始化，在這個文件中增加一行：

.long SYMBOL_NAME(_sys_tsetsycall)

將.rept NR_syscalls-190改為NR_SYSCALLS-191,然后重新編譯和運行新內(nèi)核。

使用新的系統(tǒng)調(diào)用

在保證的C語言庫中沒有新的系統(tǒng)調(diào)用的程序段，必須自己建立其代碼如下

#inculde _syscall0(int,testsyscall) main() { tsetsyscall(); }

在這里使用了_syscall0宏指令，宏指令本身在程序中將擴展成名為syscall()的函數(shù)，它在main()函數(shù)內(nèi)部加以調(diào)用。

在testsyscall()函數(shù)中， 預(yù)處理程序產(chǎn)生所有必要的機器指令代碼，包括用系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)值加載相應(yīng)的cpu寄存器， 然后執(zhí)行int 0x80中斷指令。

linux-3.*

在linux-3.8.4/kernel/sys.c 文件末尾添加新的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)如：

asmlinkage int sys_mycall(int number) { printk("這是我添加的第一個系統(tǒng)調(diào)用"); return number; }

在arch/x86/syscall_32.tbl下找到unused 223號調(diào)用然后替換如：

223 i386 mycall sys_mycall

如果是64位系統(tǒng)，在arch/x86/syscalls/syscall_64.tbl下找到313號系統(tǒng)調(diào)用，然后在其下面加上314號自己的中斷如： `314 common mycall sys_mycall

利用內(nèi)核模塊添加系統(tǒng)調(diào)用

模塊是內(nèi)核的一部分，但是并沒有被編譯到內(nèi)核里面去。它們被分別編譯并連接成一組目標(biāo)文件， 這些文件能被插入到正在運行的內(nèi)核，或者從正在運行的內(nèi)核中移走。內(nèi)核模塊至少必須有2個函數(shù)：

init_module和cleanup_module。

第一個函數(shù)是在把模塊插入內(nèi)核時調(diào)用的;

第二個函數(shù)則在刪除該模塊時調(diào)用。由于內(nèi)核模塊是內(nèi)核的一部分，所以能訪問所有內(nèi)核資源。根據(jù)對linux系統(tǒng)調(diào)用機制的分析，

如果要增加系統(tǒng)調(diào)用，可以編寫自己的函數(shù)來實現(xiàn)，然后在sys_call_table表中增加一項，使該項中的指針指向自己編寫的函數(shù)，

就可以實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用。下面用該方法實現(xiàn)在控制終端上打印“hello world” 的系統(tǒng)調(diào)用testsyscall()。

編寫系統(tǒng)調(diào)用內(nèi)核模塊

#inculde(linux/kernel.h)

#inculde(linux/module.h)

#inculde(linux/modversions.h)

#inculde(linux/sched.h)

 #inculde(asm/uaccess.h)

#define_NR_testsyscall 191

extern viod *sys_call+table[];

asmlinkage int testsyscall()

{ 
    printf("hello world\n");

    return 0;

}

int init_module()

{ 
    sys_call_table[_NR_tsetsyscall]=testsyscall;
    printf("system call testsyscall() loaded success\n");

    return 0;
}

void cleanup_module()
{

}

使用新的系統(tǒng)調(diào)用

#define_NR_testsyscall 191

_syscall0(int,testsyscall)

main()
{
    testsyscall();
}

內(nèi)核Linux系統(tǒng)調(diào)用的列表

以下是Linux系統(tǒng)調(diào)用的一個列表，包含了大部分常用系統(tǒng)調(diào)用和由系統(tǒng)調(diào)用派生出的的函數(shù)。

進程控制

?

文件系統(tǒng)控制

文件讀寫操作

?

文件系統(tǒng)操作

?

系統(tǒng)控制

?

內(nèi)存管理

?

網(wǎng)絡(luò)管理

?

socket控制

?

用戶管理

?

進程間通信

?

信號

?

消息

?

管道

?

信號量

共享內(nèi)存

?

審核編輯：湯梓紅