爲了能夠分析fp從用戶態到內核態在整個操作系統中的調用流程，可以通過strace這個命令來進行分析。
首先，寫出一個使用標準庫函數對文件進行讀寫操作的程序：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#define FILENAME ("/home/tl/UNIX-programme/self-practice/file.txt")
#define BUF ("This is CSDN\n")
int main()
{
int length = 0;
FILE *fp = NULL;
fp = fopen(FILENAME , "a+");
length = fwrite(BUF, 1, strlen(BUF), fp);
printf("length=%d\n",length);
fclose(fp);
return 0;
}
接着使用strace命令將上述程序發出的所有系統調用的列表寫到log.txt中：
strace -o log.txt ./fp
log.txt的內容如下：
execve("./fp", ["./fp"], [/* 39 vars */]) = 0
brk(0) = 0x80b5000
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
mmap2(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb774f000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) = 3
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=54092, ...}) = 0
mmap2(NULL, 54092, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb7741000
close(3) = 0
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/lib/libc.so.6", O_RDONLY) = 3
read(3, "\177ELF\1\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0\3\0\1\0\0\0@n\1\0004\0\0\0"..., 512) = 512
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1421892, ...}) = 0
mmap2(NULL, 1427880, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7c0000
mmap2(0x917000, 12288, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x157) = 0x917000
mmap2(0x91a000, 10664, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x91a000
close(3) = 0
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7740000
set_thread_area({entry_number:-1 -> 6, base_addr:0xb77406c0, limit:1048575, seg_32bit:1, contents:0, read_exec_only:0, limit_in_pages:1, seg_not_present:0, useable:1}) = 0
mprotect(0x917000, 8192, PROT_READ) = 0
mprotect(0x8049000, 4096, PROT_READ) = 0
mprotect(0xb87000, 4096, PROT_READ) = 0
munmap(0xb7741000, 54092) = 0
brk(0) = 0x80b5000
brk(0x80d6000) = 0x80d6000
open("/home/tl/UNIX-programme/self-practice/file.txt", O_RDWR|O_CREAT|O_APPEND, 0666) = 3
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=13, ...}) = 0
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb774e000
fstat64(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb774d000
write(1, "length=13\n", 10) = 10
write(3, "This is CSDN\n", 13) = 13
close(3) = 0
munmap(0xb774e000, 4096) = 0
exit_group(0) = ?
很多系統調用是由啓動和運行應用程序所需的框架代碼生成的。
mmap2和unmap負責管理應用程序使用的動態內存區域。
malloc用於在進程堆區域分配內存，內部執行了brk系統調用。
三個直接使用的系統調用open、read和close，會轉爲相應的內核函數的調用。下面來看一下參數在內核空間和用戶空間傳遞的過程，時間順序如下：
當用戶空間的open等函數進行內核空間後，開始運行用於實現系統調用的處理程序函數，這些函數的名稱前綴爲sys_。內核將控制權轉移給處理程序例程後，控制流進入平臺無關的代碼，比如read函數在系統調用函數sys_read之後，會將控制權傳遞給一個更通用的內核輔助函數vfs_read()函數，這個vfs_read是不依賴與特定CPU或體系結構的通用文件操作函數。處理完在返回結果時，無需特別的操作，簡單的return後接返回值即可。
再來分析觸發系統調用的過程是是如何實現的：
- 從用戶態切換到核心態，以及調用分派和參數傳遞，都是由彙編語言代碼實現的。不同的平臺使用不同的彙編語言方法來執行系統調用，
在IA-32系統上，使用彙編語言指令int $0x80來引發軟件中斷128。
在ARM系統上，通過SWI指令可以引發中斷/異常向量控制號128，將控制權轉移給內核，使ARM從用戶模式進入管理模式，即Linux操作系統從用戶態進入內核態；此時，保存CPSR至SPSR、保存R15（PC）至R14（LR），強制R15-PC（程序計數器）從0x0000 0008處取指令，內核系統調用處理函數vector_SWI()。 - 在應用程序藉助於標準庫切換到核心態後，內核需要查找與該系統調用匹配的處理程序函數，並向處理函數提供傳遞的參數。sys_call_table表中保存了一組指向處理程序例程的函數指針，可用於查找處理程序。
- 從核心態返回給用戶態，通過返回碼來通知用戶應用程序。儘管內核儘可能保持內核空間和用戶空間的獨立，但是有時候內核代碼必須訪問用戶應用程序的虛擬內存，但是內核不能簡單的反引用用戶空間的指針，而必須採用特定的函數，確保內存區已經在物理內存中。