操作系統接口與系統調用的實現 （李治軍操作系統課筆記2）

什麼是接口

用戶使用計算機的兩種方式：命令行、圖形。從這兩種方式理解接口。

• 命令行
  
  1、命令其實就是程序，經過編譯後生成可執行文件，在命令行鍵入可執行文件名與參數輸出結果。而實際上shell也是一個程序，開機時在main.c文件的所有xx_init()函數之後，通過/bin/sh這個可執行文件啓動shell程序
  2、關鍵是這些程序裏面調用的函數：fork()控制進程 , printf()控制屏幕，scanf()控制鍵盤……通過這些函數對計算機硬件進行使用

• 圖形
  
  鼠標、硬盤點擊之後，通過中斷放入消息隊列；然後應用程序寫一個循環，不斷從消息隊列中取消息，又對不同的消息產生不同的反應（函數）

所以不管是命令行還是圖形，用戶實質上都是通過程序來使用計算機。而這些程序的關鍵就是裏面的函數，比如read() , write()等，這些函數調用就是應用程序和操作系統的接口。又因爲這些函數調用時系統提供的，所以又叫系統調用（system_call）。

POSIX標準

POSIX（Portable Operating System Interface of Unix），POSIX標準定義了操作系統應該爲應用程序提供的接口標準，目的是爲了增強程序的可移植性，在不同的操作系統上都能跑。

爲什麼需要接口？

如果用戶程序能直接通過jmp跳到內核或者mov訪問內核的數據，那麼你從網上下載一段程序就可能進入系統內核獲取你的root密碼等等。

如何隔離應用程序與系統內核？

利用硬件將內存劃分爲用戶段和內存段，在用戶態下的程序不能直接訪問內核段的數據。如何實現對這種訪問的阻止呢？

• GDT表：
  GDT的由來詳見
  總結下來：
  1、對一個內存地址的訪問以段Base Address爲單位。
  2、在實模式下，使用16-bit段寄存器CS（Code Segment），DS（Data Segment），SS（Stack Segment）來指定段，直接左移4位與偏移量相加
  3、在保護模式下，對一個段的描述則包括【Base Address, Limit, Access】，它們加在一起被放在一個64-bit長的數據結構中，被稱爲段描述符。而段寄存器只有16bit，所以將段寄存器中的值作爲下標索引來間接引用（事實上，是將段寄存器中的高13 bit的內容作爲索引）。這個全局的數組就是GDT。
  
  注意此處的DPL（description privilege level描述特權級）那一個格，表示表示訪問該段時CPU所需處於的最低特權級，與隔離原理相關，下面詳述。

• 段選擇子
  在保護模式下，cs叫段選擇子。
  
  如上圖，高13位作爲被引用的段描述符在GDT/LDT中的下標索引，bit 2用來指定被引用段描述符被放在GDT中還是到LDT中，bit 0和bit 1是RPL——請求特權等級，請求特權級（RPL）則代表選擇子的特權級，共有4個特權級（0級、1級、2級、3級）。
  
  這個特權級與訪問權限相關：
  在head.s裏面建立GDT表的時候就將內核段DPL置爲0，而CPL(current privilege level)是當前指令的特權級，如果是在用戶態，那麼CPL就爲3，否則爲0；0的特權級是高於3，在訪問某個地址的時候，如果CPL的特權級小於等於DPL的特權級，那麼就不能訪問。由此實現用戶段和內核段的隔離。

在保護模式下如何利用段選擇子將邏輯地址準換爲線性地址？舉個例子
（1）選擇子SEL=21h=0000000000100 0 01b 它代表的意思是：選擇子的index=4即選擇GDT中的第4個描述符；TI=0代表選擇子是在GDT選擇；最後的01代表特權級RPL=1
（2）OFFSET=12345678h，若此時GDT第四個描述符中描述的段基址（Base）爲11111111h，則線性地址=11111111h+12345678h=23456789h
流程如下圖所示（圖源）

有了隔離，用戶程序如何才能調用系統內核

硬件提供了用戶態訪問內核態的唯一方法——中斷，int指令將使CS中的CPL從3變爲0，這樣就可以進入內核，並且這個中斷號只能是0x80（後面解釋）。

具體理解：以printf爲例

c代碼裏面的printf是printf(“%d”,a)，在printf()內部其實調用了系統函數write，而write函數的函數頭其實是這樣的：

size_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

可以看到，printf()函數的形參和write()的形參是不一樣的，因此如果printf(“%d”,a)能調用write函數的話，肯定要對printf的形參進行處理，庫函數printf()就起到這個作用——格式化輸出write所需要的參數，再調用包含中斷int 0x80的write()，最後在內核系統調用wirte（）。

• 那麼格式化參數之後是如何調用write（）？
  通過_syscall3這個宏展開成_syscall3(int, write, int, fd, const char* buf, off_t, count)。
  _syscall3的定義如下：

#define _syscall3(type,name,atype,a,btype,b,ctype,c)\
type name(atype a, btype b, ctype c) \
{ long __res;\
__asm__ volatile(“int 0x80”:”=a”(__res):””(__NR_##name),
”b”((long)(a)),”c”((long)(b)),“d”((long)(c)))); if(__res>=0) return
(type)__res; errno=-__res; return -1;}

要得到_syscall3(int, write, int, fd, const char* buf, off_t, count)，就是進行如下替換：

type=int,name=write,atype=int,a=fd,btype=const char * ,b=buf,ctype=off_t,c=count;

因此type name(atype a, btype b, ctype c)就變成了int write(int fd,const char * buf, off_t count)調用庫函數wirte（）。

現在調用的還是庫函數wirte（），由該函數代碼可以看到目的就是展開成上面的一段彙編代碼。這是一段內嵌彙編，:”=a”(__res):””(__NR_##name)意思是把存儲了返回值的eax賦給_res，把__NR_write賦值給eax，__NR_write稱爲系統調用號，後面有用；”b”((long)(a)),”c”((long)(b)),“d”((long)(c))就是把形參的a、b、c依次賦值給ebx、ecx、edx。
這段代碼的意思就是在int 0x80進入內核進行中斷處理，處理完之後，返回_res，write這個系統調用就結束了。

• 什麼是系統調用號呢？
  int 0x80是唯一讓應用程序進入內核的途徑，所以所有的系統調用都是通過int 0x80這個中斷來調用的，那麼如何區分是write調用還是read調用or else？就是根據這個系統調用號來區分的，__NR_write表示write調用，會接着執行write對應的內核代碼，其他同理。通過宏定義 #define __NR_write 4 將真正的中斷處理函數地址在函數指針表中的索引賦給系統調用號。

• int 0x80具體是如何操作的呢？
  1、int 0x80是進入中斷服務函數的一條指令。 凡是int 指令都要要idt（interrupt description table）錶轉去哪裏執行。
  2、void sched_init(void){ set_system_gate(0x80,&system_call); }這個初始化語句意思是int 0x80對應的中斷處理程序就是system_call。那麼系統是如何初始化IDT表，讓能夠通過int 0x80找到system_call呢？
  通過set_system_gate這個宏，set_system_gate這個宏又調用了_set_gate這個宏，如下圖：
  
  關於上圖的幾處解釋：
  1、“movl %%eax,%1\n\t” “movl %%edx,%2”:意思就是把gate_addr也就是&idt[n]的前4位賦給%eax，後四位賦給%edx
  2、_set_gate(&idt[n],15,3,addr)這裏的3替換掉#define _set_gate(gate_addr, type, dpl, addr)的dpl，也就是int0x80的表項在定義時就把DPL定義成了3，所以在用戶態時也能通過int 0x80進入內核段——跳到idt表開始進一步查找。
  3、對於表項的構成，0-15和49-64位存儲的是addr也就是&system_call，16-31存儲的是段選擇符，在這裏是”a”(0x00080000))的前四位0x0008，也就是cs=0x8。在setup.s裏面有一行jmpi 0,8，這條指令表示根據gdt表跳轉到內核代碼的地址0處。所以在此處，CS=8，ip=system_call就是跳到內核代碼0處，然後根據入口點偏移量找到system_call這個函數；同時因爲CS=8=0x1000，那麼CPL=0，也就是說當前程序的特權級變了，變成內核態的了，這樣就什麼都能幹了（這就是0x80是唯一途徑的原因）。將來int 0x80返回之後，CS最後兩位又要變成3，變回用戶態。
  
  

中斷處理程序system_call又做了什麼呢

……
call _sys_call_table(,%eax,4) 
……

_sys_call_table(,%eax,4)=_sys_call_table+4*%eax：這是一種尋址方式。eax是系統調用號__NR_write，那_sys_call_table是什麼？

fn_ptr sys_call_table[]=
{sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read, sys_write, ...};

sys_call_table是一個fn_ptr類型的全局函數表，fn_ptr是一個函數指針，4個字節，所以_sys_call_table+4*%eax要*4，得到的結果就是真正的中斷服務函數sys_write的入口地址了。

總結：

參考：
操作系統（二） – 操作系統的接口與實現