《Linux操作系统分析》之使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用

我不是女神ヾ 2022-08-21 05:48 5阅读 0赞

本篇文章分析的是使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用，来说明在Linux系统中，系统调用的实现机制。

**相关知识**

首先关于这篇文章会介绍一些用到的知识。

一、什么是内核态，什么又是用户态。

内核态：在高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址。

用户态：在相应的低执行状态下，代码的掌控范围受到限制，只能在对应级别允许的范围内活动。

![20160317192344494][]

![20160317192426963][]

当一个程序在用户态下执行的时，它不能直接访问内核数据结构或者内核的程序。然而，当应用程序运行在内核态下的时候，这些限制不再有效。每中CPU模型都为从用户态到内核态的转换提供了特殊的指令，反之亦然。一个程序的执行大部分时间都处于用户态下，只有需要内核所提供的服务的时候才切换到内核态。当内核满足了用户程序的请求后，它让程序又回到用户态下。

二、C代码中嵌入汇编代码

嵌入式汇编的格式如下：

![20160317191700567][]

下面是一些常用的嵌入汇编的限定符：

![20160317192213636][]

汇编到底有什么好处呢？  
 1.提高速度和效率。（不过这种情况很少了，现在C/C++编译器的优化很厉害了）  
 2.实现某些C语言中不具备、但为不同的机器所特有的功能。（这是主要原因）  
 3.利用通用的汇编语言例程。（也常会遇到）

三、中断机制

中断机制的一些概念可以参考我上篇博客[《Linux操作系统分析》之分析精简的Linux的内核中断和时间片轮询][Linux_Linux]。

但是在这里我们需要在介绍一下，中断和系统调用之间的关系。

系统调用是只是一种特殊的中断，通过trap陷阱，进入到内核态。其中包括以下的步骤。

![20160317192805917][]

四、应用接口编程和系统调用

应用接口编程是一个函数的定义，说明了如何获得一个给定的服务。

系统调用是通过软中断向内核态发出了一个明确的请求。

系统调用的意义：操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供的一组接口。可以把用户从底层的硬件变成中解放出来，极大的提高了系统的安全性，使用户程序具有可移植性。

![20160317194301726][]

上图是系统调用的三个层次依次是：xyz函数（API）、system\_ call（中断向量）和 sys\_ xyz（中断服务程序）。

**分析过程**

在这里我调用getpid函数。当然也可以去看看还有什么其他的系统调用[点击][Link 1]。

使用库函数的实现代码如下：

#include<stdio.h>
    #include<unistd.h>
    int main(){
    pid_t num;
    num = getpid();
    printf("this is process id :%u\n",num);
    return 0;
    }

然后进行编译，并运行，结果如下图：

![20160317203341646][]

我们可以得到如上的结果。

我们修改代码，使用嵌入的汇编来调用20号系统调用。

#include <stdio.h>
    #include<unistd.h>
    int main()
    {
        pid_t pid;
        asm volatile(
            "movl $0,%%ebx\n\t"//将ebx寄存器清零,系统调用传递第一个参数使用ebx，这里是null
            "movl $0x14,%%eax\n\t"//将0xd放入eax中，0x14为20，传递系统调用号20
            "int $0x80\n\t"
            "movl %%eax,$0\n\t"//通过eax这个寄存器返回系统调用值，和普通函数一样
            :"=m"(pid)
        );
        printf("this process's pid is : %u\n",pid);
        return 0;
    }

编译后运行结果和第一种情况一样。

**总结：**

Linux中是通过寄存器%eax传递系统调用号，所以具体调用fork的过程是：将20存入%eax中，然后进行系统调用.对于参数传递，Linux是通过寄存器完成的。Linux最多允许向系统调用传递6个参数，分别依次由%ebx，%ecx，%edx，%esi，%edi和%ebp这个6个寄存器完成。进程运行在用户态和内核态时使用不同的栈，分别叫做用户栈和内核栈。两者各自负责相应特权级别状态下的函数调用。系统调用时，进程不仅是用户态到内核态的切换，同时也要切换栈，这样内核态的系统调用才能在内核栈上完成调用。系统调用返回时，还要切换回用户栈，继续完成用户态下的函数调用。

**备注：**

杨峻鹏 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

[20160317192344494]: /images/20220731/db9d0eae0c774afa90bb4440a120704c.png
[20160317192426963]: /images/20220731/c425a7fb658c41bb95a411d95267693c.png
[20160317191700567]: /images/20220731/e887f763596242c8aa3cd1a491d9c6be.png
[20160317192213636]: /images/20220731/e6778a1958d54be79d02301c4363a915.png
[Linux_Linux]: http://blog.csdn.net/wsyw126/article/details/50804939
[20160317192805917]: /images/20220731/05cb8b74b24b4595906e8622cf5d0644.png
[20160317194301726]: /images/20220731/aad9fe791af5429eb06866950cea7055.png
[Link 1]: http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/arch/x86/syscalls/syscall_32.tbl
[20160317203341646]: /images/20220731/40ebc43e13b54f99b7d778386f5cfb6f.png