先說明兩個概念:中斷和系統呼叫
一 系統呼叫: 是應用程式(執行庫也是應用程式的一部分)與作業系統核心之間的介面,它決定了應用程式是如何和核心打交道的。
1, linux系統呼叫:2.6.19版核心提供了319個系統呼叫。比如 exit fork read open close ……
2, 對windows來說,作業系統提供給應用程式的介面不是系統呼叫,而是api。比如:readfile。我們暫時把api和系統呼叫等同起來
3, linux中,每個系統呼叫對應乙個系統呼叫號,核心維護了乙個系統呼叫表,通過這張表可以找到對應的系統呼叫函式。
二 中斷
1, 現代的cpu常常可以在多種截然不同的特權級別下執行指令,所以有兩種特權級別,分別為使用者模式(user mode)和核心模式(kernel mode)
2, 系統呼叫執行在核心態,應用程式基本都是執行在使用者態。使用者態要切換到核心態,作業系統一般是通過中斷來完成
3, linux使用0x80中斷作為系統呼叫的入口,windows採用0x2e號中斷作為系統呼叫入口
4, 中斷是乙個硬體或軟體發出的請求,要求cpu暫停當前工作轉手去處理更加重要的事。
5, 中斷一般有兩個屬性,中斷號和中斷處理程式。不同的中斷有不同的中斷號,也對應不同的中斷處理程式。
6, 在核心中有乙個陣列稱為中斷向量表,這個陣列的第n項包含了指向第n號中斷的中斷處理程式的指標。
三 基於int的linux的經典系統呼叫實現(進入正題)
1, 以fork為例
void main(void2,大概流程就是這樣:使用者呼叫fork -> eax=2(儲存系統呼叫號到暫存器中) -> int 0x80 (觸發中斷,切換到核心態))
-> 在中斷向量表中查詢(0x80號) -> 執行0x80對應的中斷服務程式(system_call)
-> 在系統呼叫表中找到系統呼叫號為2的那一項(通過之前儲存的eax=2) -> 執行系統呼叫(sys_fork)
3, 執行流程圖如下
4, 使用者呼叫某個系統呼叫,執行到int $0x80時,會儲存現場以便恢復,接著將特權狀態切換到核心態,然後cpu便會查詢中斷向量表中的第0x80號元素。
5, 切換堆疊:
(1) 在執行中斷處理函式之前,cpu首先還要進行棧的切換。
(2) 在linux中,使用者態和核心態使用的是不同的棧,兩者各自負責各自的函式呼叫。
(3) 呼叫0x80中斷時,程式執行流程從使用者態切換到核心態,當前棧也必須相應的從使用者棧切換到核心棧。從中斷處理程式中返回時,再切換回使用者棧
(4) 「當前棧」指的是esp的值所在的棧空間,若esp的值位於使用者棧的範圍內,那個當前棧就是使用者棧,反之就是核心棧。此外,暫存器ss的值還要指向當前棧所在的頁(5)
使用者棧 -> 核心棧的實際行為就是:
儲存當前的esp,ss的值 -> 將esp ss的值設定為核心棧的相應值
核心棧 -> 使用者棧的實際行為就是:
恢復原來的esp ss的值
(6) 使用者態的esp 和 ss儲存在核心棧中,這一行為由i386的中斷指令自動地由硬體完成。
(7) 中斷發生時,cpu切入核心態,還會接著做下面幾件事
找到當前程序的核心棧(每個程序都有獨立的核心棧) -> 在核心棧中一次壓入使用者態的暫存器ss、esp、eflags、cs、eip。
(8) 系統從系統呼叫中返回時,需要用iret指令回到使用者態,iret會從核心態中彈出暫存器ss、esp、eflags、cs、eip的值,使得棧恢復到使用者態的狀態
6,中斷處理程式:切換棧了以後,程式的流程就切換到了中斷向量表中記錄0x80號中斷處理程式,linux內部的i386中斷服務流程如圖
執行完sys_fork後再沿原路返回
參考: 《程式設計師的自我修養》
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