【Linxu内核设计与实现】-第5章 系统调用

第5章 系统调用

用户进程与内核交互的接口，使应用程序受限的访问硬件设备，提供了创建新进程并与已有进程通讯的机制，也提供了申请操作系统其它资源的能力。应用程序发出请求，内核来满足这些请求，或者返回一个错误。

5.1 与内核通信

（1）    系统调用在用户空间和硬件设备之间添加了一个中间层

为用户空间提供抽象的接口

保证了系统的稳定与安全

（2）    系统调用是用户空间访问内核的唯一手段。除去异常和陷入外，它是内核唯一的合法入口。

5.2 API、POSIX和C库

（1）用户空间通过应用编程接口API，而不是直接使用系统调用

（2）调用流程如下：

（3）    大多数Unix系统上，POSIX定义的API函数和系统调用之间有着直接关系。

（4）    C库：实现了Unix系统的主要API，包括标准C库，和系统调用接口。.

（5）    开发重点

• 应用程序开发：关注API
• 内核开发：关注系统调用

5.3系统调用

（1）通常通过C库中定义的函数来访问系统调用（syscall）。

（2）long型的返回值来表示成功还是失败。负数失败，0成功。出现错误的时候，C库把错误码写入全局变量，通过调用perror()库函数，翻译成用户理解的错误字符串。

（3）系统调用有一个明确的操作

（4）getpid()系统调用

SYSCALL_DEFINE0（getpid）

{

       Returntask_tgid_vnr(current);

}

SYSCALL_DEFINE0:是一个宏，定义无参系统调用。展开后

asmlinkage long sys_getpid(void)

asmlinkage：限定词，编译指令，通知编译器仅从栈中提取该函数的参数。所有系统调用都需要该限定词。

返回值是long型，保证32/64兼容。

5.3.1 系统调用号

（1）Linux中，每个系统调用，都被赋予了一个独一无二系统调用号。用户空间进程执行一个系统调用的时候，这个系统调用号就是来指定执行哪个系统调用，进程不会提及系统调用的名字。

（2）系统调用号一旦分配不能随意改变。

5.3.2 系统调用性能

Linux系统调用执行快，内核上下文切换时间短。系统调用处理程序很简洁。

5.4 系统调用处理程序

5.4.1 指定恰当的系统调用

仅仅陷入内核空间是不够的，必须把系统调用号一并传给内核。X86平台，陷入内核之前，把系统调用号存入到eax寄存器中去，系统调用程序一旦运行则从eax中得到数据。

5.4.2 参数传递

除了传递系统调用号，大部分系统调用还需要传递参数，发生陷入的时候需要把这些参数从用户空间传递到内核空间，x86上，是像系统调用号一样，将这些参数存到寄存器中，ebx、ecx、edx、esi、edi按照顺序，存放前五个参数。

5.5 系统调用的实现

5.5.1 实现系统调用

接口力求简洁，参数尽可能少。力求稳定，不做改动。多为未来扩展考虑。

5.5.2 参数验证

（1）系统调用在内核空间执行，系统调用需要检查所有参数的合法性。如文件描述符是否有效，PID是否有效，指针是否有效。

（2）在接受一个用户空间指针前，内核必须保证：

（3）copy_to_user() copy_from_user() 

（4）是否具有合法权限。Reboot系统调用，只允许系统管理员来执行。

5.6 系统调用上下文

（1）内核在执行系统调用的时候处于进程上下文，current指针指向当前任务。

（2）进程上下文中，内核可以休眠，也可以被抢占。

（3）系统调用结束的时候，控制权仍然在system_call()中，它最终负责切换到用户空间，并让用户程序继续执行下去。

5.6.1 绑定一个系统调用的最后步骤

5.6.2 从用户空间访问系统调用

（1）通常，系统调用靠C库支持，用户程序通过包含标准头文件和C库连接。

（2）Linux提供了一组宏。用于直接对系统调用访问。_syscalln()。n为0到6.

5.6.3 为什么不通过系统调用的方式实现

5.7 小结

（1）系统调用到底是什么

（2）Linux内核如何实现系统调用

（3）执行系统调用的连锁反应：

陷入内核-传递系统调用号和参数-执行系统调用函数-返回值带回用户空间。

（4）如何增加一个新的系统调用。

（5）实现新增系统调用的优缺点。