系统调用
内核提供了用户进程和内核进行交互的一组接口，称这些接口为系统调用。通过接口的方式访问系统，保证系统的稳定可靠，避免应用程序恣意妄行。
1.与内核通信
系统调用在用户空间进程和硬件设备间添加了一个中间层。其主要有三个功能：
- 为用户空间提供一个硬件的抽象接口，不需要管底层细节
- 保护系统的稳定和安全，对访问进行判决，用户程序危害系统
- 每个进程运行在各自的虚拟系统，内核需要了解进程信息才能实现多任务和虚拟内存(从系统管理的角度出发)
在Linux中，系统调用时用户空间访问内核的唯一手段；除异常和陷入外，它们是内核唯一的合法入口。
2.系统调用
访问系统调用(Linux中常称为syscall)，通常通过C库中定义的函数调用来进行。系统调用在出现错误的时候C库会把错误码写入errno全局变量，通过perror()库函数可以把该变量翻译成用户可以理解的错误字符串。
下面给出实例，getpid()系统调用，返回进程的PID，内核中实现如下:
SYSCALL_DEFINE0(getpid)
{
return task_tpid_vnr(current); // returns current->tgid
}
其中SYSCALL_DEFINE0只是一个宏，它定义一个无参数的系统调用(因此数字为0)，展开代码如下：
asmlinkage long sys_getpid(void)
注意函数声明中的asmlinkage限定词是一个编译指令，通知编译器仅从栈中提取该函数的参数，所有的系统调用都需要加该限定词。
系统调用号
在Linux中，每个系统调用被赋予一个系统调用号，通过这个独一无二的号就可以关联系统调用，指明到底执行哪个系统调用。
系统调用号非常重要，一旦分配，就不能修改，如果一个系统调用删除，它所占用的系统调用号也不允许被回收利用(向以前版本兼容的目的)，同时还有一个“未实现”的系统调用sys_ni_syscall()，除了返回-ENOSYS不做其他任何工作，专门用于填补失效的系统调用。所有的系统调用号对应的系统调用存储在sys_call_table中。
3.系统调用处理程序
用户空间的程序无法直接执行内核代码，它们不能直接调用内核空间中的函数，因为内核驻留在受保护的地址空间上。如果进程直接在内核地址空间上读写，系统的安全性和稳定性将不复存在。
通知内核的机制是靠软中断实现的：通过引发一个异常促使系统切换到内核态去执行异常处理程序，这个异常处理程序就是系统调用处理程序，这个处理程序名字叫system_call()。x86处理器常用方法：
- INT128：通过
init $0x80指令除非中断，这个指令会除非一个异常导致系统切换到内核态执行第128号异常处理程序，该程序就是系统调用程序 -
sysenter指令：比int中断指令更快更专业陷入内核执行系统调用
指定系统调用
上面讲了如何执行系统调用，但是没有指定系统调用号。对于x86，系统调用号通过eax寄存器传递给内核。在陷入内核之前，用户空间就把相应系统调用所对应的号存入eax寄存器中。
参数传递
除了系统调用号，大部分系统调用还需要传递外部参数，方法和调用号传递类似，也是存放在寄存器中，给用户返回值同样通过寄存器返回，在x86上，仍然保持在eax寄存器中。
参数验证
因为系统调用运行于内核空间，因此需要对用户进程传入的参数进行验证，最重要的检查就是检查用户提供的指针是否有效，内核必须保证：
- 指针指向的内存区域属于用户空间。(用户不能哄骗内核去读取内核空间数据)
- 指针指向的内存区域属于该进程的地址空间。(进程不能哄骗内核去读其他进程的数据)
- 如果是读，内存应标记为可读；如果是写，内存应该标记为写；如果是可执行，则内存标记为可执行。(进程决不能绕开内存访问限制)
为了向用户空间写入数据，内核提供了copy_to_user()，输入参数有三个：src，dst，字节数；为了从用户空间读取数据，内核提供了copy_from_user()，参数和copy_to_user()类似。
4.系统调用上下文
内核执行系统调用的时候处于进程的上下文，因此current指向当前任务，即引发系统调用的进程。
在进程上下文中，内核可以休眠并且可以被抢占。当系统调用返回的时候，控制权仍然在system_call()中，它最终负责切换到用户空间，并让用户进程继续执行下去。
5.为什么不通过系统调用的方式实现
建立一个新的系统调用好处：
- 系统调用创建容易且使用方便
- Linux系统调用的高性能显而易见
问题：
- 需要一个系统调用号，需要内核处于开发版本阶段由官方分配
- 系统调用加入稳定内核后就被固化了，接口不允许做改动
- 需要将系统调用分别注册到每个需要支持的体系结构中
- 在脚本中不容易调用系统调用，也不能从文件系统直接访问系统调用
- 由于需要系统调用号，因此在主内核树之外很难维护和使用系统调用
- 若仅仅进行简单的信息交换，系统调用就大材小用了
小结
对于系统调用，我们需要明白执行调用的整个过程：触发异常或中断陷入内核空间，传递系统调用号和参数，执行正确的系统调用函数，再把返回值带回用户空间。其中传递系统调用号和参数，以及返回值均是通过读写寄存器。
