Linux系統呼叫詳解（如何從使用者空間進入核心空間）
系統呼叫概述
計算機系統的各種硬體資源是有限的，在現代多工作業系統上同時執行的多個程序都需要訪問這些資源，為了更好的管理這些資源程序是不允許直接操作的，所有對這些資源的訪問都必須有作業系統控制。也就是說作業系統是使用這些資源的唯一入口，而這個入口就是作業系統提供的系統呼叫（System Call）。在linux中系統呼叫是使用者空間訪問核心的唯一手段，除異常和陷入外，他們是核心唯一的合法入口。
一般情況下應用程式通過應用程式設計介面API，而不是直接通過系統呼叫來程式設計。在Unix世界，最流行的API是基於POSIX標準的。
作業系統一般是通過中斷從使用者態切換到核心態。中斷就是一個硬體或軟體請求，要求CPU暫停當前的工作，去處理更重要的事情。比如，在x86機器上可以通過int指令進行軟體中斷，而在磁碟完成讀寫操作後會向CPU發起硬體中斷。
中斷有兩個重要的屬性，中斷號和中斷處理程式。中斷號用來標識不同的中斷，不同的中斷具有不同的中斷處理程式。在作業系統核心中維護著一箇中斷向量表（Interrupt Vector Table），這個陣列儲存了所有中斷處理程式的地址，而中斷號就是相應中斷在中斷向量表中的偏移量。
一般地，系統呼叫都是通過軟體中斷實現的，x86系統上的軟體中斷由int $0x80指令產生，而128號異常處理程式就是系統呼叫處理程式system_call()，它與硬體體系有關，在entry.S中用匯編寫。接下來就來看一下Linux下系統呼叫具體的實現過程。
Linux下系統呼叫的實現
前文已經提到了Linux下的系統呼叫是通過0x80實現的，但是我們知道作業系統會有多個系統呼叫（Linux下有319個系統呼叫），而對於同一個中斷號是如何處理多個不同的系統呼叫的？最簡單的方式是對於不同的系統呼叫採用不同的中斷號，但是中斷號明顯是一種稀缺資源，Linux顯然不會這麼做；還有一個問題就是系統呼叫是需要提供引數，並且具有返回值的，這些引數又是怎麼傳遞的？也就是說，對於系統呼叫我們要搞清楚兩點：
1. 系統呼叫的函式名稱轉換。
2. 系統呼叫的引數傳遞。
首先看第一個問題。實際上，Linux中每個系統呼叫都有相應的系統呼叫號作為唯一的標識，核心維護一張系統呼叫表，sys_call_table，表中的元素是系統呼叫函式的起始地址，而系統呼叫號就是系統呼叫在呼叫表的偏移量。在x86上，系統呼叫號是通過eax暫存器傳遞給核心的。比如fork（）的實現：
在/usr/include/asm/unistd_32.h，可以通過find / -name unistd_32.h -print查詢）
[cpp] view plaincopyprint- #ifndef _ASM_X86_UNISTD_32_H
- #define _ASM_X86_UNISTD_32_H
- /*
- * This file contains the system call numbers.
- */
- #define __NR_restart_syscall 0
- #define __NR_exit 1
- #define __NR_fork 2
- #define __NR_read 3
- #define __NR_write 4
- #define __NR_open 5
- mov eax, 2
- int 0x80
- mov eax, 2
- mov ebx, 1
- int 0x80
Linux中，在使用者態和核心態執行的程序使用的棧是不同的，分別叫做使用者棧和核心棧，兩者各自負責相應特權級別狀態下的函式呼叫。當進行系統呼叫時，程序不僅要從使用者態切換到核心態，同時也要完成棧切換，這樣處於核心態的系統呼叫才能在核心棧上完成呼叫。系統呼叫返回時，還要切換回使用者棧，繼續完成使用者態下的函式呼叫。
暫存器%esp（棧指標，指向棧頂）所在的記憶體空間叫做當前棧，比如%esp在使用者空間則當前棧就是使用者棧，否則是核心棧。棧切換主要就是%esp在使用者空間和核心空間間的來回賦值。在Linux中，每個程序都有一個私有的核心棧，當從使用者棧切換到核心棧時，需完成儲存%esp以及相關暫存器的值（%ebx，%ecx...）並將%esp設定成核心棧的相應值。而從核心棧切換會使用者棧時，需要恢復使用者棧的%esp及相關暫存器的值以及儲存核心棧的資訊。一個問題就是使用者棧的%esp和暫存器的值儲存到什麼地方，以便於恢復呢？答案就是核心棧，在呼叫int指令機型系統呼叫後會把使用者棧的%esp的值及相關暫存器壓入核心棧中，系統呼叫通過iret指令返回，在返回之前會從核心棧彈出使用者棧的%esp和暫存器的狀態，然後進行恢復。
相信大家一定聽過說，系統呼叫很耗時，要儘量少用。通過上面描述系統呼叫的實現原理，大家也應該知道這其中的原因了。第一，系統呼叫通過中斷實現，需要完成棧切換。第二，使用暫存器傳參，這需要額外的儲存和恢復的過程。
上面關於系統呼叫的闡述，如有錯誤歡迎指正。。