系统调用的过程

来自APUE和TLPI读书笔记

一个系统调用是怎么发生的呢？典型步骤如下：

• 调用标准库中的函数，例如C语言中，申请内存时，会使用如下代码：

  #include <stdlib.h>
  #include <string.h>
  #include <stdio.h>
  
  int main() {
  char *s = malloc(sizeof("hello"));
  printf("s -> %s\n", s);
  memcpy(s, "world", 5);
  printf("s -> %s\n", s);
  free(s);
  }
  

其中 malloc 就是一个标准库中的函数，它其实是一个系统调用的wrapper。

• malloc 所包裹的系统调用函数(Linux中一般是 sbrk)不一定每一次都会被调用，因为通常来说，为了提高内存分配的性能， 标准库里的wrapper函数会对所申请的内存进行缓存。此外，内核所提供的系统调用，也会规定好以一种什么样的方式进行调用， 哪个参数该放哪个寄存器上等等。标准库里的函数负责把这些准备好。

• 由于所有的系统调用都是以同一种方式进入内核，而每个系统调用都有一个编号，这个编号是内核用来分辨是哪个系统调用用的， wrapper函数把系统调用的编号copy到寄存器 %eax。

• wrapper函数执行一个 trap(一般翻译为中断) 进入内核模式，比如以前的Linux中，一般是执行 int 0x80，当然现在的CPU 有一个更高效的方式。

• 当进入内核态之后，操作系统完成这么几件事情：

  • 保存当前的寄存器里的值
  • 检查系统调用编号是否正确
  • 执行系统调用的代码
  • 执行完成之后恢复寄存器的值
  • 返回到用户态的wrapper函数中，所执行系统调用的地方的代码指令处

• wrapper函数对系统调用返回的结果进行检查，如果出错了，就设置好 errno 这个值。

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这就是一个典型的C程序进行系统调用的过程，其他语言也是类似，只不过所使用的标准库函数不一定同名，系统调用返回之后的 处理方式也未必相同(比如未必是使用 errno 而是抛异常等)。