【Linux】syscall系统调用原理及实现

article/2025/10/30 5:46:20

一、什么是系统调用

系统调用 跟用户自定义函数一样也是一个函数，不同的是 系统调用 运行在内核态，而用户自定义函数运行在用户态。由于某些指令（如设置时钟、关闭/打开中断和I/O操作等）只能运行在内核态，所以操作系统必须提供一种能够进入内核态的方式，系统调用 就是这样的一种机制。

系统调用 是 Linux 内核提供的一段代码（函数），其实现了一些特定的功能，用户可以通过 int 0x80 中断（x86 CPU）或者 syscall 指令（x64 CPU）来调用 系统调用。 内核提供用户空间程序与内核空间进行交互的一套标准接口，这些接口让用户态程序能受限访问硬件设备，比如申请系统资源，操作设备读写，创建新进程等。用户空间发生请求，内核空间负责执行，这些接口便是用户空间和内核空间共同识别的桥梁，这里提到两个字“受限”，是由于为了保证内核稳定性，而不能让用户空间程序随意更改系统，必须是内核对外开放的且满足权限的程序才能调用相应接口。

在用户空间和内核空间之间，有一个叫做Syscall(系统调用, system call)的中间层，是连接用户态和内核态的桥梁。这样即提高了内核的安全型，也便于移植，只需实现同一套接口即可。Linux系统，用户空间通过向内核空间发出Syscall，产生软中断，从而让程序陷入内核态，执行相应的操作。对于每个系统调用都会有一个对应的系统调用号，比很多操作系统要少很多。

安全性与稳定性：内核驻留在受保护的地址空间，用户空间程序无法直接执行内核代码，也无法访问内核数据，通过系统调用

二、进入系统调用

本文主要介绍的是 x86 CPU 进入系统调用的方式

Linux 提供了 int 0x80 中断来让用户程序进入 系统调用，我们来看看 Linux 对 int 0x80 中断的处理初始化过程：

void __init trap_init(void)
{...set_system_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);...
}

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系统初始化时，会在 trap_init() 函数中对 int 0x80 中断处理进行初始化，设置其中断处理过程入口为 system_call。system_call 是一段由汇编语言编写的代码，我们看看关键部分，如下：

ENTRY(system_call)...call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4)movl %eax,EAX(%esp)     # save the return value...

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我们把上面的汇编改写成 C 代码如下：

void system_call()
{...// 变量 eax 代表 eax 寄存器的值syscall = sys_call_table[eax];eax = syscall();...
}

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sys_call_table 变量是一个数组，数组的每一个元素代表一个 系统调用 的入口，其定义如下（在文件 arch/i386/kernel/entry.S 中）：

.data
ENTRY(sys_call_table).long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall).long SYMBOL_NAME(sys_exit).long SYMBOL_NAME(sys_fork).long SYMBOL_NAME(sys_read).long SYMBOL_NAME(sys_write).long SYMBOL_NAME(sys_open).long SYMBOL_NAME(sys_close)...

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翻译成 C 代码如下：

long sys_call_table[] = {sys_ni_syscall,sys_exit,sys_fork,sys_read,sys_write,sys_open,sys_close,...
};

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用户调用 系统调用 时，通过向 eax 寄存器写入要调用的 系统调用 编号，这个编号就是 sys_call_table 数组的下标。 system_call 过程获取 eax 寄存器的值，然后通过 eax 寄存器的值找到要调用的 系统调用 入口，并且进行调用。调用完成后，系统调用 会把返回值保存到 eax 寄存器中。

原理如下图：
在这里插入图片描述

三、系统调用实现

当用户要调用 系统调用 时，需要通过向 eax 寄存器写入要调用的 系统调用 编号。因为 用户态 和 内核态 使用的栈不同，而调用 系统调用 是在用户态调用的，而进入 系统调用 后会变成内核态，所以参数就不能通过栈来传递。Linux 使用寄存器来传递参数，参数与寄存器的关系如下：

  • 第1个参数放置在 ebx 寄存器。
  • 第2个参数放置在 ecx 寄存器。
  • 第3个参数放置在 edx 寄存器。
  • 第4个参数放置在 esi 寄存器。
  • 第5个参数放置在 edi 寄存器。
  • 第6个参数放置在 ebp 寄存器。

而 Linux 进入中断处理程序时，会把这些寄存器的值保存到内核栈中，这样 系统调用 就能通过内核栈来获取到参数。

下面我们通过 sys_open() 系统调用来说明一下 系统调用 的运作方式，sys_open() 实现如下：

asmlinkage long sys_open(const char *filename, int flags, int mode)
{...
}

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一般 系统调用 都需要使用 asmlinkage 编译选项，asmlinkage 编译选项是告诉编译器从栈中读取参数，其实际是封装了 GCC 的编译选项，如下：

#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((regparm(0)))

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attribute((regparm(0))) 就是告诉 GCC 所有参数都从栈中读取，而 Linux 进入中断处理上下文时，会把 ebx、ecx、edx、esi、edi、ebp 寄存器的值保存到内核栈中，那么 系统调用 就可以从内核栈获取到参数的值。

但由于寄存器只能传递 32 位的整型值（x86 CPU），所以参数一般只能传递指针或者整型的数值，如果要获取指针对应结构的数据，就必须通过从用户空间复制到内核空间，如 sys_open() 系统调用获取要打开的文件路径：

asmlinkage long sys_open(const char *filename, int flags, int mode)
{char * tmp;...tmp = getname(filename);...
}

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getname() 函数就是用于从用户空间复制数据到内核空间。

四、总结

4.1 内核空间
系统调用的函数原型的指针：位于文件/kernel/arch/arm/kernel/calls.S，格式为CALL(sys_xxx)，指定了目标函数的入口地址。
系统调用号的宏定义：位于文件/kernel/arch/arm/include/Uapi/asm/unistd.h，记录着内核空间的系统调用号，格式为#define__NR_xxx (__NR_SYSCALL_BASE+[num])
系统调用的函数声明：位于文件/kernel/include/linux/syscalls.h，格式为asmlinkage long sys_xxx(args …);
系统调用的函数实现：不同函数位于不同文件，比如kill()位于/kernel/kernel/signal.c文件，格式为SYSCALL_DEFINEx(x, sname, …)
前面这4步都是在内核空间相关的文件定义，有了这些，那么内核就可以使用相应的系统调用号。

4.2 用户空间
系统调用号的宏定义：位于文件/bionic/libc/kernel/uapi/asm-arm/asm/unistd.h，记录着用户空间的系统调用号，格式为#define__NR_xxx (__NR_SYSCALL_BASE+[num])。这个文件就是由内核空间同名的头文件自动生成的，所以该文件与内核空间的系统调用号是完全一致。

汇编定义相关函数的中断调用过程：位于文件/bionic/libc/arch-arm/syscalls/xxx.S，比如kill()位于kill.S，格式为：

  1. ENTRY(xxx)
  2. mov ip, r7
  3. ldr r7, =__NR_xxx
  4. swi #0
  5. mov r7, ip
  6. cmn r0, #(MAX_ERRNO + 1)
  7. bxls lr
  8. neg r0, r0
  9. b __set_errno_internal
  10. END(xxx)
当然kill()方法还有函数声明，有了这些，用户空间也能在程序中使用系统调用。明白了这些过程，那么自己新添加系统调用其实也并不是多困难的一件事，新增系统调用号还需要修改syscalls总个数，但强烈不建议自己新增系统调用号，尽量保持与linux kernel主线一致，兼容性更好，所以就不进一步介绍新增流程了。


不同体系CPU寄存器不一样，X86处理器使用eax、ebx、ecx、edx、esi、edi、edp寄存器，ARM处理器使用r0-r15,spc/pr/ssr/gbr/mach/mac寄存器

自己理解：库函数调用到系统调用函数_syscall_xxx,用户态程序将系统调用号保存至寄存器，然后软中断程序从用户态切换到内核态，通过从寄存器读取系统调用编号，在中断向量表中找到系统调用函数入口CALL(sys_socket)，asmlinkage标识通过内核堆栈传递参数，内核态完成sys_xxx(sys_socket)调用返回值继续保持在寄存器中。整个过程中程序执行从用户态堆栈切换到内核态堆栈，即特权级指令切换，而普通函数调用没有堆栈切换，函数调用参数直接传入堆栈，调用完返回值保存函数调用堆栈中。
后续理解待更新。。。


http://chatgpt.dhexx.cn/article/YIt5wmRg.shtml

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