Linux系统调用

操作系统管理软硬件资源，用户进程只能直接或间接的通过系统调用访问系统资源，而用户进程与内核运行于不同的权限空间，需要进行用户态到内核态的转变，这一转变是通过系统中断实现。现以getpid为例：

在用户态通过API接口编程如下：

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    return printf("pid is %d\n", getpid()) > 0;
}

getpid 为应用编程接口(API)函数，提供统一标准接口，实现是通过系统调用获得进程ID。系统调用函数由唯一的调用号标识，x86构架下在文件 arch/x86/include/asm/unistd.h 指定，实现文件根据32位系统与64为系统的不同分别实现在相同目录的unistd_32.h和unistd_64.h文件，现通过64位系统分析，32位系统原理相同。

#define __NR_getpid                             39
__SYSCALL(__NR_getpid, sys_getpid)

可以看到getpid系统调用号为 39，当然这在不同的系统上并不一定相同，getpid API函数的封装正是封装了种种不同。

系统初始化时创建名为 sys_call_table 的表项，其中存储了系统调用函数，而__NR_*调用号正是表项索引，sys_call_table的定义 32构架位于 arch/x86/kernel/syscall_table_32.S，sys_call_table 为起始地址依次存储一系列函数地址。

:::
ENTRY(sys_call_table)
	.long sys_restart_syscall	/* 0 - old "setup()" system call, used for restarting */
	.long sys_exit
	.long ptregs_fork
	.long sys_read
	.long sys_write
	.long sys_open		/* 5 */
	.long sys_close
	.long sys_waitpid
	.long sys_creat
	.long sys_link
	...

64位构架位于arch/x86/kernel/syscall_64.c，这里干脆定义成了一个sys_call_ptr_t类型数组，其初始化由宏__SYSCALL完成。

const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
	/*
	*Smells like a like a compiler bug -- it doesn't work
	*when the & below is removed.
	*/
	[0 ... __NR_syscall_max] = &sys_ni_syscall,
#include <asm/unistd_64.h>
};

系统调用时，根据 sys_call_table[__NR_getpid] 获得 sys_getpid 地址调用之。如此，我们便可通过修改 sys_call_table 的初始化和__NR_*的定义来增加自己的系统调用和修改原来系统调用的执行方式。

倘若增加我们自己的系统调用，那接下来一问题是我们如何调用？getpid函数由glibc库封装，接下来需要看如何直接调用该内核函数。当然，通过源码可以看到getpid的实现即为 sys_getpid 函数，但因为调用需要进行特权级的转变，所以直接调用sys_getpid函数是行不通的。

在Linux内核 2.6.20 以前，是存在一系列宏方便调用的，不同参数调用_syscall0,_syscall1,_syscall2等等，但是据说为了防止内核漏洞取消了这些宏，当然，从 2.6.19 拷贝出这些宏的实现，还是可以使用的，这里只是简单说明一下原理即可。

/* 摘自2.6.20内核源码 include/asm-x86_64/unistd.h */
#define __syscall "syscall"
...
#define _syscall0(type,name) \
type name(void) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile (__syscall \
	: "=a" (__res) \
	: "0" (__NR_##name) : __syscall_clobber ); \
__syscall_return(type,__res); \

/* 摘自2.6.20内核源码 include/asm-i386/unistd.h */
#define _syscall0(type,name) \
type name(void) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
        : "=a" (__res) \
        : "0" (__NR_##name)); \
__syscall_return(type,__res); \
}

可以看到，64位系统使用 syscall 指令进行系统调用，32系统使用 int 0×80指令。以64位系统举例，直接调用getpid的代码如下：

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
	pid_t pid = 0;
	asm (
		"syscall" \
		: "=a"(pid) \
		: "0"(39) \
	);
	printf("pid is %d\n", pid);
	return 0;
}

如此一来，我们便可通过通过syscall指令或者int指令调用我们自己定义的系统函数。

更进一步，再调用syscall指令之后，系统进行用户态向内核态转变，这个过程分为两部分，一部分是硬件支持，即cpu所作操作，另一部分，是软件支持，位于 arch/x86/kernel/entry_32.S 和 arch/x86/kernel/entry_64.S 文件的system_call，这里暂不分析。