《Linux内核设计与实现》学习总结 Chap5

一、与内核通信

1、系统调用在用户空间进程和硬件设备之间添加了一个中间层。

作用：

1）为用户空间提供了一种硬件的抽象接口。

2）系统调用保证了系统的稳定和安全。

3）每个进程都运行在虚拟系统中，而在用户空间和系统的其余部分提供这样一层公共接口，也是出于这种考虑。

2、在Linux中，系统调用是用户空间访问内核的唯一手段。

除异常和陷入外，它们是内核唯一的合法入口。

二、API、POSIX和C库

1、一般情况下，应用程序通过在用户空间实现的应用编程接口（API）而不是直接通过系统调用来编程。

2、应用编程接口API不需要和内核提供的系统调用对应。

3、POSIX、API、C库和系统调用之间的关系

4、Unix中的应用编程接口是基于POSIX标准的。

5、Linux的系统调用像大多数Unix系统一样，作为C库的一部分提供。

6、C库实现了Unix系统的主要API，包括标准C库函数和系统调用接口；此外，C库提供了POSIX的绝大部分API。

三、系统调用

1、要访问系统调用（在Linux中常称作syscall），通常通过C库中定义的函数调用来进行。

2、负的返回值表示错误，0值通常表示成功。

系统调用在出现错误时C库会把错误码写入errno全局变量，通过调用perror()库函数，可以把该变量翻译成用户可以理解的错误字符串。

3、如何定义系统调用？

例：asmlinkage long sys_getpid(void)

1）函数声明中的asmlinkage是编译指令，通知编译器仅从栈中提取该函数的参数，所有的系统调用都需要这个限定词。

2）函数返回long。为了保证32位和64位的系统兼容，系统调用在用户空间的返回值类型为int，在内核空间为long。

3）命名规则：系统调用get_pid()在内核中被定义成sys_getpid()，bar()被定义为sys_bar()。

4、系统调用号：用来指明执行哪个系统调用，进程不会提及系统调用的名称。

注：系统调用号一旦分配就不能再改变；如果一个系统调用被删除，它所占用的系统调用号也不允许被回收利用。

Linux有一个“未实现”系统调用sys_ni_syscall()，用于针对无效的系统调用。

5、系统调用的性能

Linux系统调用比其他许多操作系统执行得要快，原因：

（1）Linux很短的上下文切换时间；

（2）系统调用处理程序和每个系统调用本身也都非常简洁。

四、系统调用处理程序

1、用户空间的程序无法直接执行内核代码，通过软中断的机制通知内核需要执行系统调用。

2、软中断：通过引发一个异常来促使系统切换到内核态去执行异常处理程序。

在x86系统上软中断是中断号128，通过int $0x80指令触发该中断system_call()。

3、在x86上，系统调用号是通过eax寄存器传递给内核的。

4、参数传递：

在x86-32系统上，ebx/ecx/edx/esi/edi按照顺序存放前五个参数；若需要六个及以上的参数，则用一个单独的寄存器存放指向所有这些参数在用户空间地址的指针。

给用户空间的返回值也通过寄存器传递。

五、系统调用的实现

1、实现系统调用

（1）决定它的用途，不提倡多用途的系统调用。

（2）新系统调用的参数、返回值和错误码；

（3）设计接口时尽量为将来多做考虑。

2、参数验证

（1）检查所有的参数是否合法有效，最重要的一种检查就是检查用户提供的指针是否有效。

（2）在接收一个用户空间的指针之前，内核必须保证：

（3）内核提供了两个方法来完成必须的检查和内核空间与用户空间之间数据的来回拷贝：

（4）最后一项检查针对是否有合法权限。

六、系统调用上下文

1、内核在执行系统调用的时候处于进程上下文，在进程上下文中，内核可以休眠，可以被抢占。

2、绑定一个系统调用的最后步骤：

1）把sys_foo加入到系统调用表entry.s中：.long sys_foo

2）把系统调用号加入到<asm/unistd.h>中：#define _NR_foo    338

3）将系统调用编译到核心的内核映像中：

3、从用户空间访问系统调用：靠C库支持。

Linux本身提供了一组宏，用于直接对系统调用进行访问；这些宏是_syscalln()，n的范围是0-6，代表需要传递给系统调用的参数个数。

例：open()系统调用的定义：

对于每个宏来说，都有2+2*n个参数。

4、建立一个新的系统调用的利弊

利：

弊：

替代方法：

总结：

这一章主要介绍了系统调用的知识，与MOOC中的视频教学相辅相成，在许多细节上作了补充，尤其在如何增加一个新的系统调用上介绍的很详细。另外，编写规范的、最优化的、安全的系统调用所遵循的概念和内核接口规范也值得我们注意。

系统调用是利用了软中断的机制，由API、POSIX和C库协调工作。虽然系统调用使用起来非常方便，但仍要尽量避免每出现一种新的抽象就简单的加入一个新的系统调用，而新系统调用增添频率很低也反映出Linux是一个相对较为稳定并且功能已经较为完善的操作系统。