【README】

本文内容总结自《操作系统-哈工大李治军老师》，内容非常棒，墙裂推荐；

【1】操作系统接口

0）用户使用计算机3种方式：

命令行；命令行执行 hello world
图形界面；如计算机磁盘浏览器，c，d盘；
应用程序；如word；

1）命令行

系统启动完成后，会执行shell主体程序，并打印出 /home/username/ 字符串；并scanf 等待用户输入；用户输入后，执行函数 fork() exec() 申请cpu执行 output.c 代码；
具体的：

调用Fork() exec() ，实现对cpu使用；
调用scanf() ，实现对键盘的使用；
调用printf()，实现对显示器的使用；

【总结】命令行就是一段程序，程序调用了一些函数，来对计算机硬件进行使用；

无论命令行，还是图形界面，都是普通C程序；关键是调用了重要函数，这才可以操作计算机硬件；

【1.1】操作系统接口

1）操作系统接口：

指的就是重要函数，这些函数是操作系统对外提供的接口；即，接口表现为函数调用，又由操作系统提供，所以称为系统调用 system call；
所以操作系统接口就是系统调用；

2）有哪些具体的操作系统接口？或系统调用呢？

2.1）操作系统接口标准： POSIX ；为操作系统接口定义了统一的标准；可以让相同的应用程序可以在不同的操作系统上运行，即调用系统接口；

POSIX(可移植操作系统接口)是一个公认的工业标准。规范中的操作系统是POSIX兼容的。

2.2）到哪里去查询系统调用， posix 查询；
X 通常都指 Unix，这是惯例；
Posix 常用系统调用：

8.1 posix --The most common POSIX system calls.

【小结】什么是操作系统接口？被称为系统调用的函数；

具体来说，如 fork，open，read，write 等函数（如上图）；
系统调用函数可以理解操作系统开放出来的操作操作系统的api；

【2】系统调用实现

【2.1】为啥不直接访问内核数据

不能直接访问内核内存，需要通过系统调用访问内核数据；

原因在于 内核有很多关键数据是不能被外泄的，如root用户名密码，而且访问可能带来被恶意修改的问题；内核被修改，可能导致操作系统不可用，带来严重后果；（不能随意调用内核数据，不能随意jmp的原因）

【2.2】内核态与用户态

0）引入硬件设计，把内存分为内核段与用户段；计算机对内存的使用都是一段一段的使用；

用户段的程序不能直接访问内核段的数据，只能通过系统调用接口来完成；
用户段，内核段都需要段寄存器来做，两个段寄存器 CS DS，代码段寄存器，数据段寄存器；

1）如何区分内核态与用户态

0 表示内核态， 3 表示用户态；

2）可以看下 DPL >= CPL

DPL- destination privilege level：用于描述目标内存段的特权级；存储在 GDT表中；特权级数字越大，权限越低；（DPL存储在GDT中）
CPL-current privilege level：当前特权级；（CPL存储在cs段寄存器中）

3) DPL CPL 有什么作用

只有当当前特权级 CPL 小于等于目标函数的DPL时，才允许访问；否则访问权限不足；（DPL CPL 数值越小，级别越高）

4）用户态请求内核态

用户态的DPL是3，在执行用户态时，会请求cs段寄存器，会把DPL赋值给cs中的CPL；
而内核态的DPL是0；
当用户态访问内核态时，因CPL=3，而内核态DPL=0，权限不足，所以访问段寄存器就会报错了；

【例】用户态访问内核态权限不足

序号

代码

内存区域

描述

void main() {

whoami();

}

用户态

特权级CPL=3，CPL保存在cs段寄存器中；

void whoami() {

printf(100,8);

}

内核态

特权级CPL=0；

所以代码1 无法访问代码2 ；

CPL保存在cs段寄存器中；

【补充】GDT

一个GDT表项就描述一段内存；GDT表示整个操作系统，所以gdt表项，无论数据段还是代码段，对应gdt表项的DPL 全等于0；

5）那用户态如何访问内核态的代码呢？

通过中断；计算机提供的唯一进入内核的方法，通过中断才能进入内核；

6）系统调用核心：

用户程序中包含一段包含 int指令的代码；
操作系统写中断处理，获取想调用程序的编号；
操作系统根据编号执行代码；

【2.3】系统调用具体实现

操作系统通过 int 0x80 这条中断指令，操作系统才能进去；

Printf() 调用 printf库函数， printf库函数调用 write库函数，write库函数调用 write系统调用；write库函数被编译成宏，需要用宏 _syscall3 来展开成一段包含 int 0x80中断的汇编代码，因为 int 中断时进入内核的唯一方式；
【小结】

所以系统调用细节从宏 _syscall3 开始说起；

【2.4】linux系统调用实现细节

1）syscall3 宏

通过实参我们知道；

type赋值为int；
name赋值为write；
atype赋值为int；
a赋值为fd；

把type，name，atype，a 替换为右边的值，就会得到

int write(int a, int b, int c)
{long __res;__asm_volative // 这个是内嵌汇编指令；。。。。。。  
}

其中

“=a”(__res) ：把 %eax寄存器数据赋值给 __res 变量，作为返回值；
“”(__NR_##name) 把 __NR_write赋值给 %eax 寄存器；
“b”(long(a)) 把fd赋值给 %ebx寄存器；
“c((long)b)” 把 b 赋值给%ecx 寄存器；
其中， __NR_write 是系统调用号，用来标识是哪种系统调用，如write 为 __NR_write ， open为 __NR_open 等；

【补充】

syscall3 表示有3个参数；syscall2 表示有2个参数；

【总结】系统调用步骤

把一个系统调用号赋值给eax；
调用 int 0x80 ，进入内核；（进入内核的唯一方法依靠int指令）

【2.5】int 0x80 （中断指令）

1）int 中断指令，要查询 IDT 表；通过IDT 找到中断要转到哪个地方去执行（转到哪个中断服务程序执行）；

2） IDT 中断描述符表结构

处理函数入口点偏移	P	DPL	01110
段选择符	处理函数入口点偏移

补充：

中断是计算机设计中的里程碑的创新；

通过 set_system_gate(0x80, &system_call) 直到 0x80中断跑去 system_call 执行，即初始化中断描述符表 IDT表；
当中断发生时，查找 IDT，找到中断处理函数入口地址，并跳转到中断处理函数执行；
3）看代码

_set_gate(&idt[n], 15, 3, addr) // idt 是中断向量表基址；

3赋值给 dpl；又main函数入口的调用程序的cpl等于3，所以main函数可以访问内核态；

换句话说，int80的在IDT的初始化故意把dpl设置为3了；

&system_call 赋值给 addr；0x0008 赋值给段选择符；
所以 cs:ip = 8 : &system_call ；跳转到 cs:ip 去执行 system_call 这个函数；
补充：

cs=0x0008；又 cs的最后两位表示CPL；所以 CPL = 00;

CS段寄存器结构
0000	0000	0000	1000

main函数发起系统调用，如 write；此时 CPL=3，是用户态；
write系统调用通过中断 int 0x80，从 IDT 中断描述符表查找80中断的服务程序入口地址；
入口地址通过 cs:ip 来表示，其中cs=0x0008 ，由cs的最后两位表示CPL=00=0所以进入内核态调用 system_call 执行，特权级变成0了；

【总结】

在初始化IDT的时候，80号中断的DPL设置为3，故意让 CPL=3 的用户代码能够进来，一旦进来后，又由于 cs设置为0x0008 其CPL=00=0，所以进入内核态的system_call 执行；

【2.6】system_call 功能

1）代码1：

movl 0x10, %edx  mov %dx, %ds  mov %dx, %es

把ds es 都设置为0x10 ；

补充：

0x08是内核的代码段；

0x10是内核的数据段；

2）代码2：

Call_sys_call_table (, %eax, 4) ;

根据 eax% 跳转到 sys_call_table 去执行；其中 eax是 __NR_write，系统调用号；
即跳转到 _sys_call_table 为基址的，以 4*%eax 为偏移量的地址去执行；
为啥是4？每个函数的指针为4个字节，32位；
也可以把 sys_call_table 理解为函数表；

【2.7】函数表 sys_call_table （存储函数指针的表）

以 __NR_write=4为例，则下标为4的元素就是 sys_write ；

【小结】写文件调用过程

Step1）用户调用 printf； CPL=3；
Step2）printf 展成 int 0x80 ；而在初始化 IDT时，把 80号中断服务处理程序设置为
sys_call；补充：80号中断的 IDT表项的DPL初始化为3 ；
Step3）调用 system_call 中断处理程序时， cs:ip=0x0008:&system_call，其中cs的DPL=0，所以 CPL=0，进入内核态；
（补充 cs=0x0008表示代码段，ds=0x10表示数据段）
Step4）system_call 根据传入的系统调用号 __NR_write=4 会查询 sys_call_table 函数表项得到 sys_write；
Step5）调用 sys_write 函数；

【问题】

main函数所在内存的DPL=3；whoami所在内存的DPL=0，所以main函数无法直接调用 whoami函数；