系統調用是應用程序與操作系統內核之間的接口，它決定了程序如何與內核打交道的。無論程序是直接進行系統調用，還是通過運行庫，最終還是會到達系統調用這個層面上。x86系統下，Linux系統使用0x80號中斷作為系統調用的入口。EAX寄存器用于表示系統調用的接口號，比如EAX=1表示退出進程，EAX=2表示創建進程，EAX=3表示讀取文件，EAX=4表示寫文件等。每一個系統調用都對應于內核代碼中的一個函數，它們都是以“sys_”開頭的，當系統調用返回時，EAX又作為調用結果的返回值。

包括Linux，大部分操作系統的系統調用都有兩個特點：使用不便、各個操作系統之間系統調用不兼容。為了解決這些問題，運行庫挺身而出，它作為系統調用與程序之間的抽象層可以保持這樣的特點：

使用簡便

形式統一；運行庫有它的標準，凡是所有遵循這個標準的運行庫理論上都是相互兼容的，與操作系統和編譯庫無關

CPU常常可以在多種截然不同的特權級別下執行指令，在現代操作系統中，通常也據此有兩種特權級別，分別為用戶模式和內核模式，也被稱為用戶態和內核態。系統調用是運行在內核態，而應用程序基本都是運行在用戶態。操作系統一般是通過中斷來從用戶態切換到內核態；中斷是一個硬件或軟件發出的請求，要求CPU暫停當前的工作轉手去處理更加重要的事情。

中斷一般具有兩個屬性，一個稱為中斷號，一個稱為中斷處理程序。不同的中斷具有不同的中斷號，而同時一個中斷處理程序一一對應一個中斷號。在內核中，有個數組稱為中斷向量表，這個數組的第n項包含了指向第n號中斷的中斷處理程序的指針。當中斷到來時，CPU會暫停當前執行的代碼，根據中斷的中斷號，在中斷向量表中找到對應的中斷處理程序，并調用它。中斷處理程序執行完成之后，CPU會繼續執行之前的代碼。

通常意義上，中斷有兩種類型，一種稱為硬件中斷，這種中斷來自硬件的異常或其他事件的發生。另一種稱為軟件中斷，軟件中斷通常是一條指令，帶有一個參數記錄中斷號，使用這條指令用戶可以手動觸發某個中斷并執行其中斷處理程序。由于中斷號是很有限的，操作系統不會舍得用一個中斷號來對應一個系統調用，Linux使用int 0x80來觸發所有的系統調用。和中斷一樣，系統調用都有一個系統調用號，通常就是系統調用在系統調用表中的位置。linux系統中，系統調用號通常由eax傳入，用戶將系統調用號放入eax中，然后使用int 0x80調用中斷，中斷服務程序就可以從eax里取得系統調用號，進而調用對應的函數。

下圖是以fork為例的Linux系統調用的執行流程：

fork函數是一個對系統調用fork的封裝，可以用下列宏來定義它：

_syscall0(pid_t, fork);

_syscall0是一個宏函數，用于定義一個沒有參數的系統調用的封裝。它的第一個參數為這個系統調用的返回值類型，這里為pid_t，是一個Linux自定義類型，代表進程的id。 _syscall0的第二個參數是系統調用的名稱，_syscall展開之后會形成一個與系統調用名稱同名的函數。該宏定義展開之后如下：

[cpp]?view plain?copy

//?fork??

pid_t?fork(void)??

{??

long?__res;??

$eax?=?__NR_fork??

__res?=?$eax??

__syscall_return(pid_t,?__res);??

}??

__NR_fork是一個宏，表示fork系統調用的調用號，對于x86體系結構，該宏的定義可以在Linux/include/asm-x86/unistd_32.h里找到；而__syscall_turn是另一個宏，這個宏用于檢查系統調用的返回值，并把它轉換為C語言的error錯誤碼。在Linux里，系統調用使用返回值傳遞錯誤碼，如果返回值為負數，那么表明該調用失敗，返回值的絕對值就是錯誤碼。而在C語言里，大多數函數都以返回-1表示調用失敗，而將出錯信息存儲在一個名為errno的全局變量里。__syscall_return就負責將系統調用的返回信息存儲在errno中。

如果系統調用本身有參數，那么參數通過ebx來傳入。x86下Linux支持的系統調用參數至多有6個，分別使用6個寄存器來傳遞，它們分別是EBX、ECX、EDX、ESI、EDI 和 EBP。

當用戶調用某個系統調用的時候，實際是執行了一段匯編代碼。CPU執行到int $0x80時，會保存現場以便恢復，接著會將特權狀態切換到內核態。然后CPU便會查找中斷向量表中的第0x80號元素。

在實際執行中斷向量表中0x80號元素之前，CPU首先還要進行棧的切換。在Linux中，用戶態和內核態使用的是不同的棧，兩者各自負責各自的函數調用，互不干擾。但在應用程序進行系統調用時，程序的執行流程從用戶態切換到內核態，這是程序的當前棧必須也相應地從用戶棧切換到內核棧。從中斷處理函數中返回時，程序的當前棧還要從內核棧切換回用戶棧。

所謂的“當前棧”，指的是ESP所在的棧空間。如果ESP的值位于用戶棧的范圍內，那么程序的當前棧就是用戶棧；此外，寄存器SS的值還應該指向當前棧所在的頁。所以，將當前棧有用戶棧切換為內核棧的實際行為就是：

保存當前ESP、SS的值

將ESP、SS的值設置為內核棧的相應值

反過來，將當前棧由內核棧切換為用戶棧的實際行為則是：恢復原來的ESP、SS的值。用戶態的ESP和SS保存在內核棧上，這一行為由中斷指令自動地由硬件完成。當0x80號中斷發生的時候，CPU除了切入內核態之外，還會自動完成下面幾件事：

找到當前進程的內核棧

在內核棧中依次壓入用戶態的寄存器SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP。

而當內核從系統調用中返回時，需要調用iret指令來切回用戶態，iret指令則會從內核棧里彈出寄存器EIP、CS、EFLAGS、ESP、SS的值，使得棧恢復到用戶態的狀態。

這樣，系統調用fork通過int 0x80調用system_call，根據當前eax的值在系統調用表中選擇合適的函數繼續執行。我們看下system_call片段：

[cpp]?view plain?copy

ENTRY(system_call)??

...??

SAVE_ALL??

...??

cmpl?$(nr_syscalls),?x??

jae?syscall_badsys??

......??

在這里一開始使用宏SAVE_ALL將各種寄存器壓入棧中，以免它們的值被后續執行的代碼所覆蓋。然后接下來使用cmpl指令比較eax和nr_syscalls(比最大的有效系統調用號大一的值)，因此，如果不在有效系統調用號的范圍內，就會跳轉到syscall_badsys執行。如果系統調用號是有效的，則：

[cpp]?view plain?copy

system_call:??

call?*sys_call_table(0,?x,?4)??

......??

RESTORE_REGS??

......??

iret??

確定系統調用號有效并且保存寄存器之后，接下來要執行的就是調用 *sys_call_table(0,x,4)來查找中斷服務程序并執行。執行結束只有使用宏RESTORE_REGS來恢復之前被SAVE_ALL保存的寄存器。最后通過iret從中斷處理程序中返回。

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