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Question

我正在尝试理解C语言系统调用API，syscall汇编程序指令与用于在进程之间切换上下文的异常机制（中断）之间的关系。我自己要研究很多，所以请耐心等待。

我的理解是否正确C语言系统调用由编译器实现为syscall，其中各自的代码在汇编中，而这些代码又由OS实现为异常机制（中断）？

所以在以下write代码中调用C函数：

#include <unistd.h>

int main(void)
{
    write(2, "There was an error writing to standard out\n", 44);
    return 0;
}

作为syscall指令编译为程序集：

mov eax,4       ; system call number (sys_write)
syscall

反过来，指令由OS实现为异常机制（中断）？

Answer 1

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syscall指令本身就像一个美化的跳跃，它是一种硬件支持的方式，可以有效，安全地从无特权的用户空间跳转到内核。
syscall指令跳转到调度调用的内核入口点。

在x86_64之前使用了另外两种机制：int指令和sysenter指令。
它们具有不同的入口点（目前仍然存在于32位内核中，以及可以运行32位用户空间程序的64位内核）。前者使用x86中断机制，可以与异常调度混淆（也使用中断机制）但是，异常是虚假事件，而int用于生成软件中断，同样是一个美化的跳跃。

C语言并不关心系统调用，它依赖于the C runtime来执行与未来程序环境的所有交互。

C运行时通过特定于环境的机制实现上述交互可能存在各种层次的软件抽象，但最终会调用OS API。

术语API用于表示合同，严格来说，使用API并不需要调用一段内核代码（趋势是在用户空间中实现非关键功能以限制可利用的代码），这里我们只对需要特权切换的API子集感兴趣。

在Linux下，内核公开了一组可从用户空间访问的服务，这些入口点称为system calls。在Windows下，内核服务（使用与Linux类似物相同的机制访问）被认为是私有的，因为它们不需要在不同版本之间保持稳定。
一组DLL / EXE导出函数用作入口点（例如ntoskrnl.exe，hal.dll，kernel32.dll，user32.dll），后者又通过（私有）系统调用使用内核服务。 /> 请注意，在Linux下，大多数系统调用都有一个POSIX包装器，因此可以使用这些包装器（即普通的C函数）来调用系统调用。
底层ABI是不同的，错误报告也是如此;包装器在两个世界之间进行转换。

C运行时调用OS API，在Linux的情况下，系统调用是直接使用的，因为它们是公共的（在某种意义上说在各个版本中是稳定的），而对于Windows，通常的DLL，如kernel32.dll，是标记为依赖项并使用。

我们被缩减到用户模式程序（作为C运行时（Linux）的一部分或API DLL（Windows）的一部分）需要调用内核中的代码的程度。

x86架构历来提供了不同的方法，例如，call gate 另一种方法是通过int指令，它有一些优点：

这是BIOS和DOS在他们的时代所做的事情在实模式下，使用int指令是合适的，因为向量编号（例如21h）比远地址（例如0f000h:0fff0h）更容易记住。
它保存标志。
设置简单（设置ISR相对容易）。

随着架构的现代化，这种机制变得有一个很大的缺点：它很慢。在引入sysenter（注意，sysenter而非syscall）指令之前，没有更快的替代方案（呼叫门同样会很慢）。

随着Pentium Pro / II [1]的出现，引入了一对新的说明sysenter和sysexit，以加快系统调用。
Linux开始使用它们since the version 2.5，并且至今仍在32位系统上使用。我相信我不会解释sysenter指令和使用它所需的伴随VDSO的整个机制，只需要说它比int机制更快（我找不到Andy Glew的一篇文章，他说sysenter在奔腾III上变慢了，我现在还不知道它是如何表现的。

随着x86-64的出现，AMD对sysenter的响应，即syscall / sysret对，开始了从用户模式切换到内核的事实上的方式 - 模式。
这是因为sysenter实际上很快且非常简单（它分别将rip和rflags复制到rcx和r11，屏蔽{{1跳转到rflags中设置的地址。

Linux和Windows的64位版本都使用IA32_LSTAR。

总结一下，可以通过三种机制对内核进行控制：

软件中断。
对于32位Linux（2.5之前的版本），这是syscall，对于32位Windows，这是int 80h。
通过int 2eh。
自2.5以来由32位版本的Linux使用。
通过sysenter。
由64位版本的Linux和Windows使用。

Here is a nice page to put it in a better shape。

C运行时通常是一个静态库，因此是预编译的，它使用上述三种方法之一。

syscall instruction直接将控制权转移到内核入口点（见entry_64.s）它是一个只是这样做的指令，它不是由OS实现的，它是由操作系统使用。

术语异常在CS中重载，C ++有例外，Java和C＃也是例外。
操作系统可以有一个与语言无关的异常捕获机制（在windows下它曾被称为 SEH ，现在已被重写）。
CPU也有例外我相信我们正在谈论最后的意义。

例外是通过中断发送的，它们是一种中断它没有说明，虽然异常是同步的（它们发生在特定的，可重放的点上），但它们是“不受欢迎的”，它们是例外的，因为程序员倾向于避免它们，并且当它们发生时是由于错误，未处理的角落案件或不良情况因此，它们不用于将控制转移到内核（它们可以）。

使用软件中断（也是同步的）;机制几乎完全相同（异常可以在内核堆栈上推送状态代码）但语义不同我们从不引用空指针，访问未映射的页面或类似于调用系统调用，我们使用syscall指令代替。

Answer 2

修改

是的，C应用程序调用C库函数，它隐藏在C库解决方案中是一个特定于系统的调用或一组调用，它使用体系结构特定的方式到达操作系统，该操作系统具有异常/中断处理程序设置处理这些系统调用。实际上并不需要在架构上具体，可以简单地跳转/调用一个众所周知的地址，但是对于安全和保护模式的现代需求，一个简单的调用不会有这些增加的功能，但仍然在功能上正确。

如何实现库是实现定义的。以及编译器如何将代码连接到库运行时或链接时有多种组合，如何实现，没有一种方法可以或者需要发生，所以它也是实现定义的。只要它在功能上是正确的并且不会干扰C标准，那么它就可以工作。

在我们的手机和桌面上使用Windows和Linux等操作系统时，强烈希望将应用程序与系统隔离，以便它们不会以各种方式造成损害，因此需要保护，并且您需要具有架构性在切换模式时，将函数调用到非正常调用的操作系统的特定方法。如果架构有多种方法可以实现，那么操作系统可以选择一种或多种方式作为其设计的一部分。

“软件中断”是一种常见的方式，因为硬件中断大多数解决方案包括一个处理程序地址表，通过扩展该表并将一些向量绑定到一个软件创建的“中断”（打一个特殊的指令而不是比输入上的信号改变状态）但经过相同的停止，保存一些状态，调用矢量等。

Answer 3

我的理解是正确的，C语言系统调用是由编译器实现的，系统调用是汇编[...]中的相应代码吗？

否

C编译器处理系统调用的方式与处理对任何其他函数的调用相同：

; write(2, "There was an error writing to standard out\n", 44); mov $44, %edx lea .LC0(%rip), %rsi ; address of the string mov $2, %edi call write

libc（系统的C库）中这些函数的实现可能包含syscall指令，或者系统架构中的等效指令。

Answer 4

不是问题的直接答案，但这可能会引起你的兴趣（我没有足够的业力来评论） - 它详细解释了所有用户空间执行（包括glibc以及它如何进行系统调用）：

http://www.maizure.org/projects/printf/index.html

您可能会对“第8步 - 写入标准输出的最终字符串”感兴趣：

__libc_write看起来像什么......？
000000000040f9c0 <__libc_write>:
  40f9c0:  83 3d c5 bb 2a 00 00   cmpl   $0x0,0x2abbc5(%rip)  # 6bb58c <__libc_multiple_threads>
  40f9c7:  75 14                  jne    40f9dd <__write_nocancel+0x14>

000000000040f9c9 <__write_nocancel>:
  40f9c9: b8 01 00 00 00          mov    $0x1,%eax
  40f9ce: 0f 05                   syscall 
  ...cut...
写简单地检查线程状态，假设一切正常，   将write syscall number（1）移入EAX并进入内核。

一些注意事项：


x86-64 Linux写的系统调用是1，旧的x86是4

rdi指的是stdout

rsi指向字符串

rdx是字符串大小计数

请注意，这是针对作者的x86-64 Linux系统。

对于x86，这提供了一些帮助：

http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/syscall/syscall86.html

在Linux下，由指令int 0x80引起的可屏蔽中断或异常类传输调用系统调用的执行。我们使用向量0x80将控制转移到内核。该中断向量在系统启动期间与其他重要向量（如系统时钟向量）一起初始化。

但作为Linux内核的一般答案：

我的理解是正确的，C语言系统调用是由编译器实现的，系统调用是汇编中的相应代码，而这些代码又由OS实现为异常机制（中断）？

是

系统调用API，系统调用指令和异常机制（中断）之间的关系

4 个答案:

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