系统调用

B站链接

系统调用（System Call） 是用户程序请求操作系统内核提供服务的接口。由于用户态程序不能直接访问硬件资源或内核态的关键功能，系统调用通过一种受控的方式实现用户态与内核态之间的切换。

在 x86 架构中，系统调用通常通过软件中断或特殊指令（如 syscall 和 sysenter）实现。这种机制需要依赖 GDT 和 Trap Gate 等关键结构来完成权限切换和代码段跳转。

---

系统调用的实现方式

1. 远眺转: lcall和retf

2. 软中断: int 0x80

注: 实现系统调用的方式并非只有以上两种，比如现代操作系统中使用的快速系统调用sysenter / sysexit和syscall / sysret

---

从 GDT 和 Trap Gate 的角度看系统调用

系统调用的核心是用户程序从用户态（低特权级，CPL=3）切换到内核态（高特权级，CPL=0），并由内核完成具体的操作。GDT 和 Trap Gate 在这一过程中扮演了重要角色。

---

1. GDT 的作用

GDT 定义了所有段的描述符，包括：

• 代码段：用户态代码段和内核态代码段。
• 数据段：用户态数据段和内核态数据段。
• 系统描述符：如任务状态段（TSS）或门描述符（如 Trap Gate）。

GDT 中的段描述符包含了段的基址、界限和特权级（DPL），它用于控制段访问权限，并支持从用户态到内核态的安全切换。

系统调用依赖 GDT 中的代码段描述符来切换到内核态代码段执行内核功能。

---

2. Trap Gate 的作用

Trap Gate 是一种特殊的系统描述符，用于处理软中断。它的特点是：

• 定义了跳转的目标地址：指向内核中的系统调用处理函数。
• 设置了权限控制：Trap Gate 的特权级（DPL）通常设置为 3，允许用户态代码访问。
• 不会关闭中断：与中断门不同，Trap Gate 保持中断状态不变，适合处理系统调用。

注: Interrupt Gate 用于处理由外部硬件（如定时器、I/O 设备等）或处理器内部事件（如除零错误、段错误等）触发的中断，而 Trap Gate 通常用于处理由软件触发的中断，像系统调用。它也会导致 CPU 从用户态切换到内核态，但与硬件中断不同，Trap Gate 是由软件（例如 int 指令）显式触发的。

远跳转实现系统调用

流程解释

1. 用户态程序发起调用：
   用户程序通过执行 lcall 指令，向内核发起系统调用。

2. CPU 验证段权限：
   CPU 根据 lcall 指定的段选择子，从 GDT 中读取目标段描述符，并检查 CPL 是否符合段描述符的 DPL。

3. 切换到内核态：
   如果权限验证通过，CPU 自动切换到内核栈（TSS:SS0 和 TSS:ESP0）并跳转到内核态系统调用处理程序。

4. 处理系统调用：
   内核根据系统调用号和参数执行相应逻辑。

5. 返回用户态：
   内核通过执行 retf 指令，恢复用户态的代码段和栈，将控制权交回用户程序。

6. 用户程序继续执行：
   系统调用完成，用户程序接着执行后续代码。

软中断实现系统调用

流程解释

1. 用户态程序发起调用：
   用户程序通过执行 int 0x80 指令，向内核发起系统调用。

2. CPU 查找中断向量表（IDT）：
   CPU 根据中断号 0x80 在 IDT 中查找对应的中断描述符。

3. 验证权限：
   CPU 验证 Trap Gate 的 DPL 是否允许当前 CPL 调用（通常要求 DPL ≤ CPL）。

4. 切换到内核态：
   如果验证通过，CPU 自动切换到内核栈（通过 TSS 中的 SS0:ESP0 指定）并跳转到内核中断处理程序入口。

5. 保存上下文：
   内核中断处理程序保存用户态的寄存器和栈信息，以便系统调用完成后能够正确返回。

6. 执行系统调用：
   内核根据传入的系统调用号和参数执行对应的服务逻辑。

7. 完成系统调用：
   系统调用完成后，设置返回值，并准备恢复用户态上下文。

8. 返回用户态：
   使用 iret 指令返回用户态，恢复用户程序的执行。

9. 继续用户程序：
   用户程序获得系统调用结果，并继续执行后续代码。