第五章 系统调用
5.1与内核通信
1. 系统调用
让应用程序受限的访问硬件设备提供创建新进程并与已有进程通信的机制提供申请操作系统其他资源能力 是用户空间进程和硬件设备之间的中间层
2. 系统调用的功能
1）硬件的抽象接口：用户程序通过系统调用来使用硬件，而不用关心具体的硬件设备，简化了用户程序的开发
2）保证系统的稳定与安全：基于某些规则的访问控制
3）增强系统的稳定性
在Linux中，系统调用是用户空间访问内核的唯一手段除异常和陷入外，他们是内核唯一的合法入口
5.2 API、POSIX和C库
1.API可以在各种不同的操作系统实现，给应用程序提供完全相同的接口，而它们本身在这些系统上的实现却可能迥异。
2.在Unix世界中，最流行的应用编程接口是基于POSIX标准的。
3. C库包括：标准C库函数、系统调用接口
4. 注意：
程序员<--->API内核<--->系统调用
5.关系图：
5.3系统调用
1. 介绍：在linux中常称作syscall，通常通过C库中定义的函数调用来进行。
- 注意：返回值是long型变量，如果出错，C库会将错误代码写入errno全局变量。
- 系统调用再出现错误的时候C库会把错误码写入errno全局变量。通过调用perror()库函数，可以把该变量翻译成用户可以理解的错误字符串。
- SYSCALL_DEFINE0只是一个宏，它定义一个无参数的系统调用。
2. 定义系统调用：
asmlinkage long sys_getpid(void)
- 限定词：asmlinkage
- 函数返回值类型：long
- 符合命名规则的命名：sys_getpid
3. 系统调用在用户空间和内核空间有不同的返回值类型，在用户空间为int在内核空间为long。
4. 系统调用号一旦分配就不能再有任何变更。
- 如果一个系统调用被删除，它所占用的系统调用号也不允许被回收利用
- Linux有一个“未实现”系统调用sysnisyscall(),它除了返回―ENOSYS外不做任何其他工作，这个错误号就是专门针对无效的系统调用而设的
5.4 系统调用处理程序
1. 内核记录了系统调用表中的所有已注册过的系统调用的列表，存储在syscalltable中。在×86-64中，它定义于arch/i386/kernel/syscall_64.c文件中。
2.注意：
x86系统，ebx,ecx,edx,esi,edi按顺序存放前五个参数。需要6个及以上参数，应用一个单独的寄存器存放指向这些参数在用户空间地址的指针。返回值存放在eax。
3. Linux系统执行快的原因：
- 很短的上下文切换时间
- 系统调用处理程序和每个系统调用本身也十分简洁
5.5 系统调用的实现
1.参数验证
- 参数合法有效并正确：不应让内核访问无权访问的资源
-
最重要的检查：用户提供的指针是否有效。内核必须保证指针：
指向的内存区域属于用户空间；指向的内存区在进程的地址空间里；指向的内存区在内存的访问权限范围中。
- 两个方法检查在两空间之间数据的来回拷贝：
copy_to_user()：向用户空间写入数据copy_from_user()：从用户空间读取数据
- 针对是否有合法权限的检查
capable()：是否有权对指定的资源进行操作返回0：无权操作
2.关系图：
5.6 系统调用上下文
1. 进程上下文：内核在执行系统调用的时候处于进程上下文
current指针指向当前任务。在进程上下文中，内核可以休眠、被抢占。当系统调用返回时，控制权仍然在system_call()中，负责切换到用户空间，并让用户进程继续执行下去
2. 绑定一个系统调用的最后步骤：编写完系统调用之后，将其注册成一个正式的系统调用
在系统调用表中加入表项；系统调用号定义于中；编译进内核映像，放入kernel/下的相关文件。
3. 从用户空间访问系统调用
_syscalln()：Linux提供的一组宏，用于直接对系统调用进行访问。会设置好寄存器并调用陷入指令。- n的范围：0~6，代表传递给系统调用的参数个数。
- 对每个宏来说，都有
2+2*n个参数。
第一个参数：对应系统调用返回值类型第二个参数：系统调用的名称按系统调用参数顺序排列的每个参数的类型和名称
eg.
long open(const char *filename, int flags, int mode)#define NR_open 5_syscall3(long, open, const char*, filename, int, flags, int, mode)
4. 为什么不通过系统调用的方式实现？
（1）建立一个系统调用的好处
创建容易、使用方便Linux系统调用的高性能
（2）问题是：
系统调用号需要在内核处于开发版本时官方分配系统调用加入稳定内核后被固化，接口不允许做改动需要将系统调用分别注册到每个需要支持的体系结构中去脚本中不容易调用，不能从文件系统直接访问主内核树之外难以维护和使用
（3）替代方法
某些接口可以用文件描述符表示把增加的信息作为文件放在sysfs的合适位置
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总结
我觉得在这一章中，最应该重点理解的还是系统调用的内涵，以及它和API的区别。也提及补充了系统调用的优势之处。这也让我们从底层能够比较系统地去理解内核运行机制，它是如何提供基本功能的，其中包含的那些层层包装递进的过程。