這一篇介紹一下系統(tǒng)調(diào)用优妙，熟悉一下流程竞穷。很多做客戶端的同學(xué)根本不知道這些內(nèi)容。建議花時(shí)間看看相關(guān)的知識(shí)鳞溉。最好的方式還是去看源碼瘾带，反匯編，才能深刻的理解熟菲。

系統(tǒng)調(diào)用

程序運(yùn)行的時(shí)候看政，本身是沒有權(quán)限訪問多少系統(tǒng)資源的。系統(tǒng)資源有限抄罕，如果操作系統(tǒng)不進(jìn)行控制允蚣，那么各個(gè)程序難免會(huì)產(chǎn)生沖突。線程操作系統(tǒng)都將可能產(chǎn)生沖突的系統(tǒng)資源保護(hù)起來呆贿，阻止程序直接訪問嚷兔。比如文件、網(wǎng)絡(luò)做入、IO冒晰、各種設(shè)備等。

比如無論在Windows還是Linux中竟块，程序員都不能直接去訪問硬盤的某扇區(qū)上的數(shù)據(jù)壶运，必須通過文件系統(tǒng)，也不能擅自修改任意文件浪秘。所有這些操作必須經(jīng)過操作系統(tǒng)規(guī)定的方式進(jìn)行蒋情。比如用fopen打開沒有權(quán)限的文件就會(huì)失敗埠况。

比如：想要程序延遲執(zhí)行一段時(shí)間，不借助操作系統(tǒng)就是使用循環(huán)棵癣，這樣會(huì)白白消耗CPU辕翰，造成資源浪費(fèi)。如果使用操作系統(tǒng)提供的定時(shí)器就可以方便有效狈谊。

系統(tǒng)調(diào)用涵蓋的功能很廣金蜀，有程序運(yùn)行鎖必須的支持，如創(chuàng)建和退出進(jìn)程的畴、線程渊抄，進(jìn)程內(nèi)存管理，對(duì)系統(tǒng)資源的訪問等丧裁。

Linux系統(tǒng)調(diào)用

在x86下护桦，系統(tǒng)調(diào)用是通過0x80中斷完成，各個(gè)通用寄存器用于傳遞參數(shù)煎娇。EAX寄存器用于表示系統(tǒng)調(diào)用的接口號(hào)二庵。

比如：EAX=1表示退出進(jìn)程，EAX=2表示創(chuàng)建進(jìn)程缓呛，EAX=3表示讀文件或IO催享，EAX=4表示寫文件或IO。每個(gè)系統(tǒng)調(diào)用對(duì)應(yīng)到內(nèi)核源碼中的一個(gè)函數(shù)哟绊，他們都是以sys_開頭的因妙，比如exit調(diào)用對(duì)應(yīng)內(nèi)核中的sys_exit函數(shù)

Linux內(nèi)核提供了幾百個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，下面列舉部分

所以完全可以不使用glibc封裝的fopen票髓、fread攀涵、fclose操作文件，而直接使用系統(tǒng)函數(shù)open,read,close實(shí)現(xiàn)洽沟。

技巧：Linux中可以使用man查看系統(tǒng)調(diào)用詳情以故，使用參數(shù)2表示系統(tǒng)調(diào)用手冊(cè)（比如 man 2 read）

如果直接使系統(tǒng)調(diào)用會(huì)有非常多的問題：

• 使用不方便，操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用接口往往過于原始裆操。程序員需要了解很多跟操作系統(tǒng)相關(guān)的細(xì)節(jié)
• 各個(gè)操作系統(tǒng)之間系統(tǒng)調(diào)用不兼容

于是增加一個(gè)層來解決怒详，系統(tǒng)調(diào)用與程序之間增加一個(gè)抽象層。這個(gè)層就是前面所說的glibc踪区，或者API.

系統(tǒng)調(diào)用原理

這里單單以Linux為例昆烁，至于Windows調(diào)用原理暫時(shí)省略。

用戶態(tài)朽缴、內(nèi)核態(tài)及中斷

現(xiàn)代操作系統(tǒng)中有兩種特權(quán)級(jí)別善玫，分為用戶模式和內(nèi)核模式水援。

多個(gè)模式存在密强，那么操作系統(tǒng)就可以讓不同代碼運(yùn)行在不同模式下茅郎，進(jìn)而限制代碼的權(quán)限，提高穩(wěn)定性或渤、安全性系冗。一般普通程序在用戶態(tài)，操作會(huì)受到限制薪鹦。系統(tǒng)調(diào)用運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)掌敬，應(yīng)用程序基本都是運(yùn)行在用戶態(tài)被限制。

用戶態(tài)的程序通過中斷來運(yùn)行內(nèi)核態(tài)的代碼池磁，進(jìn)而從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)奔害。

中斷

中斷是操作系統(tǒng)的一個(gè)概念。中斷是一個(gè)硬件或者軟件發(fā)出的請(qǐng)求地熄，要求CPU暫停當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)手去執(zhí)行更加重要的事情华临。

比如在編輯文本的時(shí)候，敲擊鍵盤那CPU如何得知道呢端考？一種是輪詢雅潭，CPU每隔一小段時(shí)間就去詢問鍵盤是否有鍵按下，但是除非一直打字却特，否則大部分輪訓(xùn)都是得到?jīng)]有鍵按下的結(jié)果扶供。這樣就白白浪費(fèi)掉了很多資源。

另一種方式就是當(dāng)鍵盤按下的時(shí)候裂明，鍵盤芯片發(fā)一個(gè)信號(hào)給CPU椿浓，然后CPU接收到信號(hào)之后就只到鍵盤按下了。然后再去詢鍵盤具體是哪個(gè)鍵被按下闽晦，這樣的信號(hào)就是一種中斷轰绵。——硬件中斷

中斷一般有兩個(gè)屬性尼荆，一個(gè)是中斷號(hào)（從0開始）左腔，一個(gè)稱為中斷處理程序（ISR）,不同中斷具有不同的中斷號(hào)，一個(gè)中斷號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷處理程序捅儒。在內(nèi)核中保存了一個(gè)數(shù)組液样，叫做中斷向量表，這個(gè)數(shù)組第n項(xiàng)包含了指向第n個(gè)中斷號(hào)的中斷處理程序的指針巧还。當(dāng)中斷來的時(shí)候鞭莽，CPU就會(huì)暫停當(dāng)前執(zhí)行的代碼，根據(jù)中斷的中斷號(hào)麸祷，在中斷向量表中找到對(duì)應(yīng)的中斷處理程序澎怒，并且調(diào)用他，處理完之后阶牍，CPU繼續(xù)執(zhí)行之前的代碼喷面。

中斷有硬件中斷星瘾，這種來至于硬件的異常或者其他時(shí)間的發(fā)生比如斷電惧辈，鍵盤按下琳状。另一種是軟件中斷，軟件中斷一般是一條指令（i386下是int）盒齿，帶有一個(gè)參數(shù)記錄中斷號(hào)念逞，這個(gè)指令用戶可以手動(dòng)觸發(fā)某個(gè)中斷并執(zhí)行中斷處理程序。比如int 0x80這條指令就會(huì)調(diào)用第0x80號(hào)的中斷處理程序边翁。

中斷號(hào)是有限的翎承，不可能每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷號(hào)，更加合理的是用一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)中斷號(hào)來對(duì)應(yīng)所有的系統(tǒng)滴啊用符匾。比如Linux中int 0x80來觸發(fā)所有的系統(tǒng)調(diào)用审洞。

系統(tǒng)調(diào)用會(huì)有一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，表明是哪一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用待讳，這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用通常就是系統(tǒng)調(diào)用在系統(tǒng)調(diào)用表中的位置芒澜。比如Linux中的fork函數(shù)調(diào)用號(hào)是2，這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)在執(zhí)行int指令前就會(huì)被放到某個(gè)固定的寄存器中创淡，對(duì)應(yīng)的中斷代碼會(huì)取得這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)痴晦，并且調(diào)用正確的函數(shù)。

比如Linux中int 0x80為例琳彩，系統(tǒng)調(diào)用號(hào)使用eax來傳入誊酌，用戶將系統(tǒng)調(diào)用號(hào)保存在eax，然后使用int 0x80調(diào)用中斷露乏，中斷服務(wù)傳給信號(hào)就可以從eax取得系統(tǒng)調(diào)用號(hào)碧浊，進(jìn)行調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)。

基于int的Linux經(jīng)典系統(tǒng)調(diào)用

下面以fork為例

觸發(fā)中斷

首先當(dāng)程序在代碼里面調(diào)用一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用時(shí)瘟仿，是以一個(gè)函數(shù)的形式調(diào)用的箱锐，比如fork：

int main() {
 fork();
}

fork函數(shù)是對(duì)系統(tǒng)調(diào)用fork的封裝，可以用下面的宏定義：

_syscall0(pid_t, fork)

_syscall0是一個(gè)宏劳较，用于定義一個(gè)沒有參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用封裝驹止。他的第一個(gè)參數(shù)為這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的返回值類型，pid_t代表進(jìn)程的id观蜗。第二個(gè)參數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用的名字臊恋。_syscall0展開之后 會(huì)形成一個(gè)與系統(tǒng)調(diào)用名稱同名的函數(shù)。下面是i386的syscall0

匯編解釋：

• __asm__是一個(gè)gcc關(guān)鍵字墓捻，表示接下來要嵌入?yún)R編代碼抖仅，volatile關(guān)鍵字告訴GCC對(duì)這段代碼不進(jìn)行任何優(yōu)化
• __asm__第一個(gè)參數(shù)是一個(gè)字符串，代表匯編代碼的文本，這里匯編代煤制油int $0x80撤卢，表示要調(diào)用0x80號(hào)中斷
• =a（__res）表示用eax（a表示eax）輸出返回?cái)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)到_res中
• 0（_NR ##name）表示用_NR ##name為輸入环凿，0指示由編譯器選擇和輸出相同的寄存器（eax）來傳遞參數(shù)。

__syscal_return是另外一個(gè)宏

最終fork函數(shù)匯編之后

當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用如果有參數(shù)的話會(huì)用syscall1

所以如果系統(tǒng)內(nèi)調(diào)用如果有1個(gè)參數(shù)屎慢，則參數(shù)通過ebx來傳遞。x86下的linux系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)最多有6個(gè)忽洛。分別使用6個(gè)寄存器來傳遞腻惠。分別是ebx，ecx欲虚，ed想集灌，esi，edi和ebp复哆。

當(dāng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候欣喧，CPU執(zhí)行到int $0x80時(shí)，會(huì)保存現(xiàn)場以便恢復(fù)梯找。接著切換到內(nèi)核態(tài)唆阿，然后CPU查找中斷向量表低0x80元素。

切換堆棧

在實(shí)際執(zhí)行中斷向量表中的第0x80好中斷之前锈锤，CPU還要進(jìn)行堆棧的奇幻驯鳖，在Linx中，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)使用的是不同的棧久免，兩者各自負(fù)責(zé)各自的函數(shù)調(diào)用浅辙，互不干擾。

在執(zhí)行0x80中斷的時(shí)候阎姥，程序從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)记舆。這時(shí)相應(yīng)的棧也必須切換到內(nèi)核棧，從中斷處理函數(shù)中返回時(shí)呼巴，程序當(dāng)前棧需要從內(nèi)核棧切換到用戶棧氨淌。

當(dāng)前棧是指ESP值所在的棧空間伊磺，如果ESP的值位于用戶棧范圍能盛正，那么程序的當(dāng)前棧就是用戶棧。內(nèi)核棧同理屑埋。并且SS的值需要指向當(dāng)前棧所在的頁豪筝。所以用戶棧切換到內(nèi)核棧就是：

• 保存當(dāng)前ESP、SS的值
• 將ESP、SS的值設(shè)置為內(nèi)核棧的值

(反過來同理）

• 恢復(fù)原理ESP续崖、SS的值
• 用戶態(tài)的ESP和SS的值保存在內(nèi)核棧上敲街，

當(dāng)發(fā)生中斷的時(shí)候，CPU除了進(jìn)入內(nèi)核態(tài)之外還會(huì)做如下事情：

• 找到當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核棧（每一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)內(nèi)核棧）
• 在內(nèi)核棧中一猜壓入用戶態(tài)的寄存器SS严望、ESP多艇、EFLAGS、CS像吻、EIP

當(dāng)內(nèi)核從系統(tǒng)調(diào)用中返回峻黍，則調(diào)動(dòng)iret指令回到用戶態(tài)，iret指令會(huì)從內(nèi)核棧里面彈出SS拨匆、ESP姆涩、EFLAGS、CS惭每、EIP的值骨饿。使得棧恢復(fù)到用戶態(tài)的狀態(tài)台腥。

中斷處理程序

在int指令切換了棧之后宏赘，程序就切換到中斷向量表轉(zhuǎn)給你記錄0x80號(hào)中斷處理陳旭。下面是linux i386中斷服務(wù)流程

內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)往往以sys_加上系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)名了黎侈，比如sys_fork察署，sys_open等。

關(guān)于sys開頭的系統(tǒng)內(nèi)調(diào)用函數(shù)如何從用戶那里獲得參數(shù)的蜓竹。是通過寄存實(shí)現(xiàn)的箕母。我們知道用戶調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)電泳參數(shù)數(shù)量不同俱济，一次將參數(shù)放入EBX,EXC嘶是，EDX,ESI，EBP這6個(gè)寄存器蛛碌。如果一個(gè)參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用就是EBX聂喇，兩個(gè)參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用就是EBX和ECX

小結(jié)

通過閱讀，歸根結(jié)底還是要懂匯編并且去看源碼才能把整個(gè)過程分析正確蔚携。平時(shí)所使用的把所有的細(xì)節(jié)都已經(jīng)屏蔽了贡这。地下還深藏著許多玄機(jī)鬓催。——而這一點(diǎn)確實(shí)大都數(shù)開發(fā)人員的短板