解决什么问题

Linux系统调用主要是操作系统实现的应用编程接口，简单的说就是linux内核提供对外(对于应用程序)的接口函数，进程通过调用系统调用完成自身的功能。

系统调用在每个平台的实现方式都不同相同，例如x86通过int 0x80中断来实现，arm通过其它的指令实现。

具体原理与实现

1 系统调用过程
对于内核提供给应用程序的接口，例如open接口，在内核中有对应的一个函数sys_open.

我们在内核增加一个系统调用，这里就是函数声明。
具体实现是通过系统调用相关的辅助宏来定义的。

内核中提供了一组宏来定义的，通过系统调用的参数个数来定义
open的3个参数，即就是SYSCALL_DEFINE3.

里面就是open的具体实现了。可以自己添加printk函数来编译通过查看打印信息。

对于系统调用的定义，我们可以将SYSCALL_DEFINE3宏展开，会得到代码

编译器自动生成代码比较复杂，但是主要就是生成两个gcc内置函数的安全性检查等，就跟sizeof和typeof一样只在编译时起作用。

type __builtin_choose_expr (const_exp, exp1, exp2)
__builtin_types_compatible_p(typeof(a), typeof(b))

把编译器生成的代码化简后并拼接上open实现代码就形成了open系统调用的最终代码。

2 为何可以调用
系统中维护了一个全局系统调用列表sys_call_table，以4k对齐

上面的是以arm64系统为例的，其它的每个硬件平台都有对应的一个全局系统调用表。

这样sys_open系统调用的入口就写入到sys_call_table列表中。

系统调用全过程

应用程序调用C库的open函数，C库执行80中断进入CPU异常模式，然后内核找到系统调用函数并执行它，最后返回到用户空间的一个过程。
1 程序调用C库执行open系统调用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
        FILE *fp = fopen(".", "r");
        if (fp) fclose(fp);
        return 0;
}

执行编译命令：

执行反编译命令：

生成asm文件可以查看到.
c库将fopen自动转成了对openat的系统调用.
通过读汇编代码可以看到设置寄存器的系统调用号0x38存放在寄存器中，执行完系统调用后，程序将继续执行下一行代码。等待软中断触发。

2 cpu进入异常模式
程序执行c库的指令后，cpu进入异常模式。内核根据异常类型以及中断向量表里面的地址，调用同步异常处理例程。现在看看el0_sync代码

1 kernel_entry是一个汇编宏代码，做进入系统调用前的准备工作，包括保存程序执行的现场，载入与CPU核相关的线程数据，保存异常返回地址等。
2 读取系统寄存器esr_el1的值。异常不单单只有系统调用会触发，内存缺页、指令错误等也会触发，因此，esr_el1[26:31]就保存了异常发生的原因。
3 取出esr_el1中产生异常的原因，保存在x24里。
4 ARM定义系统调用的原因为ESR_ELx_EC_SVC64，把它与x24与比较，如果相等则执行系统调用的代码，如果不相等则需继续往下走，表明异常是由其他原因触发的，比如内存缺页等。
5 执行el0_svc系统调用的代码

3 找到系统调用函数并执行它
el0_sync函数是用来处理系统调用的，首先从系统全局唯一的系统调用表里，取得C库调用svc时准备的系统调用号，然后根据调用号索引找到系统调用表里相应的函数地址，最后执行它。

1 载入全局系统调用列表sys_call_table的地址。
2 取出系统调用号（w8即是x8的低32位寄存器），保存到scno（x26）里。系统调用号是C库代码在每个系统调用前写入x8寄存器里的。
3 获得全部系统调用的最大值并保存到sc_nr（x25）里。
4 比较系统调用号与最大值，结果保存在状态寄存器里。
5 比较的结果大于最大值，则跳到ni_sys处执行错误处理。
6 把系统调用号作为索引，取出sys_call_table表中相应的函数地址，这里保存的就是sys_open的地址。sys_open函数地址如何设置到sys_call_table表里请参考前一篇文章。
7 调用sys_open函数，完成此系统调用的功能。
4 返回用户空间
程序调用完sys_open函数后，系统调用的功能就执行完毕了，剩下的任务就是返回到程序的用户空间里，继续执行剩下的代码。

ret_fast_syscall函数，执行流返回到的用户空间里去。
1 关闭中断
2 系统调用的返回值保存进堆栈里。
3 kernel_exit是一个汇编宏与kernel_entry相对应，恢复之前程序执行的现场，设置异常返回地址，执行eret指令，返回到用户空间里去。

总结

1、应用程序调用
当程序调用C库打开一个文件的时候，把系统调用的参数放入x1-x6寄存器（系统调用最多用到6个参数），把系统调用号放在x8寄存器里，然后执行SVC指令，CPU进入EL1。

2 保持线程存入系统调用表 CPU把当前程序指针寄存器PC放入ELR_EL1里，把PSTATE放入SPSR_EL1里，把系统调用的原因放在ESR_EL1里，然后通过VBAR_EL1加上偏移量取得异常向量的入口地址，接着开始执行入口的第一行代码。这一过程是CPU自动完成的，不需要程序干预。

3 执行具体调用函数
内核保存异常发生时程序的执行现场，然后通过异常的原因及系统调用号找到系统调用的具体函数，接着执行函数，把返回值放入x0寄存器里。这一过程是内核实现的，每种操作系统可以有不同的实现。

4 返回应用程序
系统调用完成后，程序需要主动设置ELR_EL1和SPSR_EL1的值，原因是异常会发生嵌套，一旦发生异常嵌套ELR_EL1和SPSR_EL1的值就会随之发生改变，所以当系统调用返回时，需要恢复之前保存的ELR_EL1和SPSR_EL1的值。最后内核调用ERET命令，CPU自动把ELR_EL1写回PC，把SPSR_EL1写回PSTATE，并返回到EL0里。这时程序就返回到用户态继续运行了。

最后

以上就是完美铃铛为你收集整理的Linux内核系统调用原理与实现解决什么问题具体原理与实现系统调用全过程总结的全部内容，希望文章能够帮你解决Linux内核系统调用原理与实现解决什么问题具体原理与实现系统调用全过程总结所遇到的程序开发问题。

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