系统调用机制解析（结合Linux 0.12源码）

系统调用(System Call)是操作系统提供给用户程序访问内核功能的接口，是用户空间与内核空间交互的标准方式。下面我将结合Linux 0.12源码详细解析其实现机制。

系统调用基本原理

1. 特权级切换：用户程序运行在CPU的Ring3特权级，内核运行在Ring0。系统调用触发从用户态到内核态的切换。

2. 中断机制：传统上通过软中断(如int 0x80)实现，现代CPU有专用指令(sysenter/sysexit)。

3. 参数传递：通过寄存器(如eax存放系统调用号，ebx/ecx/edx等存放参数)。

Linux 0.12系统调用实现图解

1. 系统调用表定义

在include/linux/sys.h中定义系统调用表：

// 系统调用函数指针类型
typedef int (*fn_ptr)();

// 系统调用表
fn_ptr sys_call_table[] = {
    sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read, /*...*/ 
};

2. 系统调用入口

在kernel/system_call.s中定义中断处理入口：

_system_call:
    cmpl $NR_syscalls-1,%eax   # 检查系统调用号是否合法
    ja bad_sys_call
    push %ds                    # 保存寄存器
    push %es
    push %fs
    pushl %edx
    pushl %ecx
    pushl %ebx
    movl $0x10,%edx             # 设置内核数据段
    mov %dx,%ds
    mov %dx,%es
    movl $0x17,%edx             # 设置用户数据段
    mov %dx,%fs
    call *sys_call_table(,%eax,4)  # 调用系统调用处理函数
    pushl %eax                  # 保存返回值
    # ... 恢复寄存器等后续处理

3. 用户空间触发系统调用

用户程序通过库函数触发系统调用，如lib/open.c：

int open(const char * filename, int flag, ...)
{
    register int res;
    __asm__ volatile (
        "int $0x80"             # 触发0x80中断
        : "=a" (res)            # 返回值存入res
        : "0" (__NR_open), "b" (filename), "c" (flag) # 参数传递
    );
    return res;
}

4. 参数传递机制

参数通过寄存器传递： - eax: 系统调用号(如__NR_open=5) - ebx: 第一个参数(文件名指针) - ecx: 第二个参数(标志) - edx: 第三个参数(模式)

系统调用流程示意图

用户空间程序           内核空间
    |                    |
    | 1. 执行int 0x80    |
    |------------------->|
    |                    | 2. 查找IDT表，跳转到system_call
    |                    | 3. 保存寄存器，切换段
    |                    | 4. 查sys_call_table[eax]
    |                    | 5. 执行对应系统调用函数
    |                    | 6. 恢复寄存器，iret返回
    |<-------------------|
    | 7. 继续执行        |

关键数据结构

1. 中断描述符表(IDT)：在kernel/sched.c中初始化：

void sched_init(void)
{
    set_intr_gate(0x80,&system_call); // 设置0x80中断入口
}

2. 系统调用号定义：在include/unistd.h中：

#define __NR_setup   0
#define __NR_exit    1
#define __NR_fork    2
#define __NR_read    3
// ...

性能优化考虑

1. 快速系统调用指令：现代CPU使用sysenter/sysexit替代int 0x80，减少开销。

2. vsyscall/vDSO：将部分常用系统调用(如gettimeofday)映射到用户空间。

3. 上下文切换优化：尽量减少需要保存/恢复的寄存器数量。

Linux 0.12虽然简单，但已经包含了现代系统调用的核心机制，后续版本主要是在此基础上的优化和扩展。