通过库函数API和C代码中嵌入汇编代码剖析系统调用的工作机制

作者：吴乐 山东师范大学《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

本次实验的主要内容就是分别采用API和gcc嵌入汇编的方式调用system_call。
系统调用其实就是操作系统提供的服务。我们平时编写的程序，如果仅仅是数值计算，那么所有的过程都是在用户态完成的，但是我们想将变量打印在屏幕上，就必须调用printf，而printf这个函数内部就使用了write这个系统调用。
操作系统之所以以system call的方式提供服务，是因为如果程序员能够任意操作OS所有的资源，那么将无比危险，所以OS设计出了内核态和用户态。
我们平时编程都是在用户态下，如果我们想要调用系统资源，那么就必须采用系统调用，陷入内核态，才能达到目的。

下面通过实验过程，将对两种方式进行一一说明。

一、进行库函数API，编写time的函数，功能是实现显示当前时间。

二、编译并打开程序

三、通过嵌入汇编的方式编写time-asm函数，功能同上

　　系统调用的应用十分广泛，几乎包含了科学运算以外的所有函数。在 Linux 平台下有两种方式来使用系统调用：利用封装后的 C 库（libc）或者通过汇编直接调用。
Linux 下的系统调用是通过中断（int 0x80）来实现的。在执行 int 80 指令时，寄存器 eax 中存放的是系统调用的功能号，而传给系统调用的参数则必须按顺序放到寄存器 ebx，ecx，edx，esi，edi 中，当系统调用完成之后，返回值可以在寄存器 eax 中获得。
　　所有的系统调用功能号都可以在文件 /usr/include/bits/syscall.h 中找到，为了便于使用，它们是用 SYS_<name> 这样的宏来定义的，如 SYS_write、SYS_exit 等。例如，经常用到的 write 函数是如下定义的：
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
　　该函数的功能最终是通过 SYS_write 这一系统调用来实现的。根据上面的约定，参数 fb、buf 和 count 分别存在寄存器 ebx、ecx 和 edx 中，而系统调用号 SYS_write 则放在寄存器 eax 中，当 int 0x80 指令执行完毕后，返回值可以从寄存器 eax 中获得。
或许你已经发现，在进行系统调用时至多只有 5 个寄存器能够用来保存参数，难道所有系统调用的参数个数都不超过 5 吗？当然不是，例如 mmap 函数就有 6 个参数，这些参数最后都需要传递给系统调用 SYS_mmap：
void  *  mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd, off_t offset);
当一个系统调用所需的参数个数大于 5 时，执行int 0x80 指令时仍需将系统调用功能号保存在寄存器 eax 中，所不同的只是全部参数应该依次放在一块连续的内存区域里，同时在寄存器 ebx 中保存指向该内存区域的指针。系统调用完成之后，返回值仍将保存在寄存器 eax 中。
由于只是需要一块连续的内存区域来保存系统调用的参数，因此完全可以像普通的函数调用一样使用栈(stack)来传递系统调用所需的参数。但要注意一点，Linux 采用的是 C 语言的调用模式，这就意味着所有参数必须以相反的顺序进栈，即最后一个参数先入栈，而第一个参数则最后入栈。如果采用栈来传递系统调用所需的参数，在执行int 0x80 指令时还应该将栈指针的当前值复制到寄存器 ebx中。

四、编译后实验效果同上

五、总结：系统调用的工作机制

1.当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。这与处于内核态的进程的状态有些类似。 
2. 计算机体系结构从下到上大概都是分成这样几层：物理硬件，OS内核，OS服务，应用程序。这四层结构中，OS内核起到一个“承上启下”的作用，向下管理物理硬件；向上为OS服务和应用程序提供接口。主意，这里的接口实际上是指系统调用(System Call)。
3. 通常OS内核为了考虑实现起来的难度和易于管理，只提供少部分必要的系统调用，这些系统调用通常都是C和汇编来实现的。接口用C定义，实现体用汇编来写。这样做的好处是，执行效率高，并且极大的方便了上层的调用。
4. 再说库函数(即API)。库函数可以概括的分为两类，一类是随OS提供的，另一类是第三方的。随系统提供的库函数进一步封装或组合系统调用，实现更多的功能，就像用C语言的许多功能单一的小函数来实现很多很多个功能复杂的大函数一样。这样的API能够执行一些相对内核来说很复杂的操作，比如，read()函数根据参数，直接就能读文件，而背后隐藏的比如文件在硬盘的哪个磁道，哪个扇区，加载到内存的哪个位置等等这些操作，程序员是不必关心的，这些操作里面自然也包含了系统调用。而对于第三方的库，它其实和系统库一样，只是它直接利用系统调用的可能性要小一些，而是利用系统提供的API接口来实现功能。