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L5-系统调用的实现

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  • 系统调用的实现即操作系统接口的具体实现细节，类似于插座背后电路的实现细节概念。
  • 操作系统为了保证安全，不混乱，分为两种操作系统状态：内核态和用户态，相应的，内存分为内核段和用户段。

L5 系统调用的实现

内核态和用户态

  • 系统调用的实现即操作系统接口的具体实现细节，类似于插座背后电路的实现细节概念。

  • 操作系统为了保证安全，不混乱，分为两种操作系统状态：内核态和用户态，相应的，内存分为内核段和用户段。

    内核态运行的程序可以访问计算机的任何数据和资源，不受限制，包括外围设备，比如网卡、硬盘等。处于内核态的 CPU 可以从一个程序切换到另外一个程序，并且占用 CPU 不会发生抢占情况。

    用户态运行的程序只能受限地访问内存，，只能直接读取用户程序的数据，并且不允许访问外围设备，用户态下的 CPU 不允许独占，也就是说 CPU 能够被其他程序获取。

    DPL（Descriptor Privilege Level）：描述符特权，用来描述目标内存段的特权级；数字越小表示特权级越高。

    CPL（Current Privilege Level）：当前任务特权，用来描述当前内存段的特权级；数字越小表示特权级越高。

    ★只有当 DPL >= CPL 时，指令才有效。例如：

    • DPL=0，CPL=0，即当前在内核态，目标为内核态，都在内核态，指令有效；
    • DPL=0，CPL=3，即当前在用户态，目标为内核态，用户态想进入内核态，不被允许，指令无效；
    • DPL=3，CPL=0，即当前在内核态，目标为用户态，内核态想进入用户态，允许，指令有效；
    • DPL=3，CPL=3，即当前在用户态，目标为用户态，都在用户态，指令有效；

系统调用的实现细节

  • 由上所述，正常情况下是不允许用户态进入内核态的，在某些特殊情况下，为了由用户态进入内核态，只能依靠计算机硬件，对于Intel x86，那就是中断指令int，通过中断指令int将DPL置为3，使得DPL>=CPL，才可以由用户态进入内核态，然后在进入了内核态以后，又将CPL置为0。

    ★所以便可以得到系统调用，即操作系统接口背后的实现细节：通过操作系统接口中包含的int指令的代码，由用户态进入内核态，操作系统进行中断处理，根据编号执行相应代码，调用计算机硬件，最终实现系统调用。

    下面就是一个例子：应用程序调用 printf(…) 函数，在C语言的库中将其转换为库函数 printf(…) ，以适应于库函数 write(…) 所需要的参数格式，然后库函数 printf(…) 调用库函数 write(…) ，而**在库函数write(…)中，则会通过 _syscall3 来调用包含了int 0x80指令的汇编代码，使得能从用户态进入内核态，最终实现系统调用 write(…)**，完成想要实现的功能。

    • 注意：Linux操作系统规定了从用户态进入内核态都是要通过int 0x80中断指令进入的，所以在 _syscall3 汇编代码中，还涉及到系统调用号，以区别不同的系统调用，如 open、write、read等。

      下面就是 int 0x80 指令，将DPL置为3，操作系统得以从用户态进入内核态，在进入内核态以后又将CPL置为0。

  • ★总结printf(…)的整个过程，其中有几个关键点：

    • int 0x80 将CPL 置为3，使得操作系统能从用户态进入内核态，在进入内核态后又将 CPL 置为0；
    • 由于从用户态进入内核态都是要通过int 0x80中断指令进入的，所以为了区分不同的系统调用，还需要系统调用号，这里为_NR_write = 4；
    • **在进入内核态以后，通过中断处理、系统调用号、查表等，最终调用 sys_write 函数，实现系统调用。 **
---------------The End---------------