网站建设智能优化,网站创意的技术,全国哪个县网站做的最好,版式设计排版在应用程序开发过程中经常会进行IO设备的操作#xff0c;比如磁盘的读写#xff0c;网卡的读写#xff0c;键盘#xff0c;鼠标的读入等#xff0c;大多数应用开发人员使用高级语言进行开发#xff0c;例如C#xff0c;C#xff0c;java#xff0c;python等#xff0… 在应用程序开发过程中经常会进行IO设备的操作比如磁盘的读写网卡的读写键盘鼠标的读入等大多数应用开发人员使用高级语言进行开发例如CCjavapython等这些高级语言都提供了标准库或者API去操作IO设备不过标准库或者API最终还是通过系统调用来实现操作IO设备的系统调用是操作系统提供的它是操作系统内核的一部分。系统调用封装了对硬件操作的所有细节而标准库或者SDK又在系统调用的基础上做了高度抽象的封装和优化因此使得应用程序开发人员的日子好过多了开发效率也提高了不少。1本篇文章主要阐述以下两部分:1.什么是系统调用2.系统调用的实现主要以Linux 操作系统和IA-32处理器举例高级语言以C语言为例同时也会掺杂一些其它操作系统和处理器。什么是系统调用对于现代的操作系统来说应用程序运行的时候是没有权限去访问系统资源的操作系统为了防止各类应用程序可能会破坏系统资源对系统资源做了保护阻止应用程序直接去访问这些资源而应用程序又有访问这些系统资源的需求因此操作系统提供了系统调用让所有的应用程序统一通过系统调用来访问系统资源这里所说的系统资源包括文件网络 内存各类IO设备等。应用程序可以进行系统调用也可以调用标准库或者API一个系统调用的内部有很多的步骤比如需要进行用户态模式到内核态模式的互相切换。这里简单介绍下模式切换我们知道一个完整的应用程序分为两部分一部分是应用程序的代码和数据另一部分是内核的代码和数据切换模式就是这两部分的分水岭意味着处理器进入了一个不同的模式不同的模式就是不同的世界不同的世界就有不同的权限而内核态模式就是王者可以掌握所有的资源用户态模式只能掌握自己的一亩三分地。正如上面所说系统调用需要进行模式切换而每个完整的应用程序都有两个栈一个用户栈一个内核栈这两个栈是独立的用户栈在用户空间内核栈在内核空间因此切换模式时栈也得切换。因此我们可以将系统调用的执行步骤分为三步1.执行前的准备工作。2.执行处理程序处理函数。3.执行后的善后工作当然内核模式切换和栈切换就是1和3的工作了这里的三步都是在内核模式下执行的如下图所示应用程序直接系统调用步骤从上图得知执行一个系统调用很复杂需要干很多的活Linux的编译器提供了很多共享库so文件来提供系统调用例如Linux的glibc库就提供了文件操作相关的系统调用例如下面的代码int read(int fd,void *buf,int count);//读文件数据 int write(int fd,const void *buf,int couint);//写文件数据 int open(const char * pathname,int flags,mode_t mode);//打开文件上面的代码只是glibc库中几个比较有代表性的例子linux操作系统提供了几百个系统调用这些系统调用分散在各个共享库中这里就不再阐述。Windows操作系统提供了API简称Windows API或者SDK它不是系统调用而是对系统调用做了二次封装这些API是由各类DLL动态链接库提供的开发人员导入这些DLL就可以通过Windows API来开发Windows应用程序因此Widows应用程序执行系统调用的步骤就变成了如下图所示Windows应用程序系统调用步骤正如上文所述每个操作系统都提供它各自的系统调用那么写一段C代码怎样能做到跨操作系统呢?答案是C语言标准库C语言标准库的目的就是让开发人员写一段C代码这些C代码使用的是C标准库那么这段代码不需要进行任何修改就可以跨操作系统前提是经过不同操作系统编译器的编译C标准库的调用关系如下图C标准库由上图得知Linux通过共享库直接提供系统调用而Windows则通过Windows API间接进行提供系统调用中间增加了一个C标准库它将不同操作系统之间系统调用标准化做了二次封装简化了系统调用的复杂度提供给应用程序。标准库也有它的缺点缺点就是只能取各个操作系统系统调用的交集这意味着只有操作系统都有的功能才能纳入到标准库然后有的时候需要一些操作系统专有的功能时还得直接进行系统调用或者调用API这个就会出现跨系统的问题。对于用标准库开发的应用程序它的系统调用步骤可以总结如下图C标准库系统调用好了【什么是系统调用】的话题介绍到这里了下面来看看系统调用具体是怎么实现的。2系统调用的实现上个环节阐述的是【什么是系统调用】以及系统调用的大致步骤这个环节将以Linux操作系统为例来阐述系统调用的实现原理和细节当然其它操作系统系统调用的实现原理比较相似可以举一反三。主流的操作系统如Linux和Windows是通过中断来实现系统调用的。以操作系统Linux2.5以前处理器为Inter IA-32为例看看fork这个系统调用是怎么实现的其它的Linux系统调用类似整体过程如下图Linux系统调用过程上图为系统调用涉及到的9个步骤我们逐个看起1.应用程序调用linux库提供的fork函数发起一个fork系统调用这个系统调用的目的是创建一个子进程这个子进程拷贝一份父进程的虚拟进程空间。2.fork函数的第一步就是将2放入寄存器eax,每个系统调用都有一个编号2就是fork系统调用的编号eax是默认用于传递系统调用编号的寄存器。如果系统调用有参数则将参数传入到如下的寄存器EBXECXEDXESIEDIEBP可以看出系统调用最多支持6个参数fork系统调用没有参数。fork函数的第二步就是执行中断指令int 0x80,中断指令int用于发送中断信号给处理器0x80为中断向量号这个向量号是系统调用中断处理程序专用。int指令同时也会将模式从用户态切换到内核态用户栈切换到内核栈同时会将当前被中断的应用程序中断时的寄存器内容入栈SSESPEFLAGSCSEIP这里的入栈指的是入内核栈每一个应用程序都一个用户栈和内核栈。整体来看2步骤的汇编代码如下push EAX,2;//设置fork系统调用的系统调用编号 mov EBX,arg1;//可选参数1 mov ECX,arg1;//可选参数2 mov EDX,arg1;//可选参数3 mov ESI,arg1;//可选参数4 mov EDI,arg1;//可选参数5 mov EBP,arg1;//可选参数6 int 0x80;//发送系统调用中断信号3.处理器执行完当前的指令后会检查处理器的中断引脚发现有中断信号然后检查状态寄存器EFLAGS)发现中断屏蔽IF标志是打开的(系统调用中断信号不会被屏蔽)处理器根据中断信号分析出中断向量号然后根据中断向量号去查找中断描述符表找到了该中断向量号对应的中断处理程序。4.操作系统跳转到中断处理程序然后开始执行中断处理程序0x80对应的中断处理程序是系统调用中断处理程序system_call。该中断处理程序首先会将EAXEBXECXEDXESIEDIEBP这几个寄存器入栈之所以入栈就是为了防止后续的工作覆盖这些寄存器核心汇编指令如下push EAX; push EBX; push ECX; push EDX; push ESI; push EDI; push EBP;5.系统调用中断处理程序紧接着根据系统调用号(这里就是fork系统调用号即2)去系统调用表进行查找可以找到该系统调用号对应的处理程序(也可以叫处理函数),Linux操作系统的系统处理函数一般以sys开头fork的系统处理函数就是sys_fork。6.找到了系统处理函数后开始执行该函数处理函数可以从内核栈中获取函数的参数函数执行完成后函数的返回值默认采用EAX寄存器进行返回。7~8.系统处理函数执行完成后回到了系统调用中断处理程序中断处理程序执行iret指令iret指令负责从内核态切换到用户态将内核态入栈的寄存器数据出栈到SSESPEFLAGSCSEIP这几个寄存器然后跳转到系统调用处。9.系统调用fork返回到应用程序。3Linux操作系统(2.5以前)的系统调用实现原理阐述完了Windows操作系统的系统调用也采用类似的机制另外要说的是自从Linux(2.5)以上处理器Inter 奔腾二代以后为了提高系统调用的效率Inter处理器提供了两个指令来进行系统调用的进入和退出即sysenter和sysexit指令。sysenter指令代替了int中断指令发起系统调用执行这个指令后会直接跳转到一个系统调用的处理函数地址处去执行系统调用这个处理函数的地址是存储在一个指定的寄存器中sysenter这个指令也负责模式的切换和应用程序现场寄存器的备份这一点同int一样处理函数参数的传递跟以前一样还是通过寄存器的方式传递没有变化。sysexit指令代替了iret恢复指令它负责模式切换和现场寄存器的恢复这一点同iret指令相似。其它的操作系统例如Power PCAMD的系统调用与Linux(2.5以上)类似不同的是它们采用不同的指令来进行模式切换和寄存器备份参数的传递也是采用寄存器的方式只是寄存器个数和名称不一样罢了。转自一口Linux 并做整理推荐阅读专辑|Linux文章汇总专辑|程序人生专辑|C语言我的知识小密圈关注公众号后台回复「1024」获取学习资料网盘链接。欢迎点赞关注转发在看您的每一次鼓励我都将铭记于心~