系统调用的实现原理
实现原理
用户态 –> 中断（Linux 下中断号0x80） –> 内核态
中断
中断就是一个硬件或软件请求，要求 CPU 暂停当前的工作，去处理更重要的事情。比如，在 x86 机器上可以通过 int 指令进行软件中断，而在磁盘完成读写操作后会向 CPU 发起硬件中断。
中断号
中断有两个重要的属性，中断号和中断处理程序。中断号用来标识不同的中断，不同的中断具有不同的中断处理程序。再操作系统内核中维护着一个中断向量表（Interrupt Vector Table），这个数组存储了所有中断处理程序的地址，而中断号就是相应中断再中断向量表中的偏移量。
Linux 下系统调用的实现
前文已经提到了 Linux 下的系统调用是通过 0x80 实现的，但是我们知道操作系统嗯有多个系统调用（Linux 下有 319 个系统调用），而对于同一个中断号是如何处理多个不同的系统调用的呢？最简单的方式是对于不同的系统调用采用不同的中断号，但是中断号明显是一种稀缺资源，Linux 显然不会这么做；还有一个问题就是系统调用是需要提供参数，并且具有返回值的，这些参数又是怎么传递的？也就是说，对于系统调用我们要搞清楚两点：
- 系统调用的函数名称转换。
- 系统调用的参数传递。
首先看第一个问题。实际上，Linux 中处理系统调用的方式与中断类似。每个系统调用都有相应的系统调用号作为唯一的标识，内核维护一张系统调用表，表中的元素是系统调用函数的起始地址，而系统调用号就是系统调用在调用表的偏移量。在进行系统调用时只要指定对应的系统调用号，就可以明确的要调用哪个系统调用，这就完成了系统调用的函数名称的转换。举例来说，Linux 中 fork 的调用号是2（具体定义，在我的计算机上是在 /usr/include/asm/unistd_32.h，可以通过 find / -name unistd_32.h -print 查找）。
#ifndef _ASM_X86_UNISTD_32_H
#define _ASM_X86_UNISTD_32_H 1
#define __NR_restart_syscall 0
#define __NR_exit 1
#define __NR_fork 2
#define __NR_read 3
#define __NR_write 4
#define __NR_open 5
#define __NR_close 6
#define __NR_waitpid 7
#define __NR_creat 8
#define __NR_link 9
#define __NR_unlink 10
#define __NR_execve 11
#define __NR_chdir 12
#define __NR_time 13
#define __NR_mknod 14
#define __NR_chmod 15
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 2 存入 %eax 中，然后进行系统调用，伪代码：
mov eax, 2
int 0x80
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。比如，调用 exit(1)，伪代码是：
mov eax, 1
mov ebx, 1
int 0x80
因为 exit 需要一个参数 1，所以这里只需要使用 ebx。
栈切换
Linux 中，在用户态和内核态运行的进程使用的栈是不同的，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。当进行系统调用时，进程不仅要从用户态切换到内核态，同时也要完成栈切换，这样处于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。
寄存器 %esp（栈指针，指向栈顶）所在的内存空间叫做当前栈，比如 %esp 在用户空间则当前栈就是用户栈，否则是内核栈。
栈切换主要就是 %esp 在用户空间和内核空间间的来回赋值。
在 Linux 中，每个进程都有一个私有的内核栈，当从用户栈切换到内核栈时，需完成保存 %esp 以及相关寄存器的值（%ebx，%ecx…）并将 %esp 设置成内核栈的相应值。而从内核栈切换会用户栈时，需要恢复用户栈的 %esp 及相关寄存器的值以及保存内核栈的信息。一个问题就是用户栈的 %esp 和寄存器的值保存到什么地方，以便于恢复呢？答案就是内核栈，在调用 int 指令执行系统调用后会把用户栈的 %esp 的值及相关寄存器压入内核栈中，系统调用通过 iret 指令返回，在返回之前会从内核栈弹出用户栈的 %esp 和寄存器的状态，然后进行恢复。
相信大家一定听过说，系统调用很耗时，要尽量少用。通过上面描述系统调用的实现原理，大家也应该知道这其中的原因了。第一，系统调用通过中断实现，需要完成栈切换。第二，使用寄存器传参，这需要额外的保存和恢复的过程。