系統調用的原理

原始文章維護在 http://gaopenghigh.github.io/system_call/

原始的系統調用是通過中斷向量80所代表的的中斷來實現：把系統調用號存到一個寄存器 中，然後發出int 0x80。已經註冊號的中斷處理常式會檢測寄存器的內容，根據不同的系 統調用號， 提供具體的服務。中斷的處理過程分三步：a)保持寄存器的內容；b)調用中斷 處理常式進行處理；c)重新載入之前寄存器的內容，這個過程的開銷並不小，所以 int 0x80的方式，對系統的開銷有較大的影響。

後來，Intel推出了兩個指令sysenter/sysexit（對於64位系統則是syscall/sysret指令） ，提供 “快速系統調用”的功能，幾年後，Linux開始使用這兩個指令實現系統調用，並且 引入了vDSO的機制。具體是怎麼使用的，可以參考Sysenter Based System Call Mechanism in Linux 2.6。

vDSO的大概過程：

1. 核心使用sysenter等指令實現系統調用，這部分代碼中主要過程叫做 __kernel_vsyscall（封裝在一個so中）;
2. 使用vDSO機制時，核心在初始化過程中，會拷貝這個so到一個物理頁;
3. 核心在載入ELF執行檔案時，會把這個物理頁映射到使用者空間，並且會將裡面的函數根 據類型設定到ELF auxiliary vectors中，__kernel_vsyscall的地址就會設定到 AT_SYSINFO類型中；使用ldd查看的話，可以看到ELF檔案包含一個叫做 linux-gate.so.1或者叫linux-vdso.so.1的共用庫。
4. glibc中系統調用的核心命令是： ENTER_KERNEL call *%gs:SYSINFO_OFFSET
5. 經過複雜的定義聲明，最終調用的是ELF auxiliary vectors中AT_SYSINFO類型的地址 ，也就是調用了__kernel_vsyscall

一般情況下，應用程式不直接使用系統調用，而是使用一些glibc封裝好的函數，不過核心 也提供了syscall()方法，讓應用程式可以直接發起一個系統調用。

有一些系統調用，比如gettimeofday()，可能會被非常頻繁地調用，並且這些系統調用的 具體過程都類似，讀取一個有核心維護的變數的值（比如時間），然後把該值返回到使用者 空間。對於這些系統調用，核心提供了一種“捷徑”，使這些系統調用事實上不進入核心空 間，而是在使用者空間執行。大概的原理就是在vDSO的虛擬動態共用程式庫檔案中維護了一個變 量，該變數是由核心更新的，vDSO中只是簡單地讀取這個變數並返回給調用方，而無需再 進行sysenter等指令。

參考資料：

• linux下系統調用的實現
• On vsyscalls and the vDSO
• linux下系統調用的實現
• About ELF Auxiliary Vectors
• Sysenter Based System Call Mechanism in Linux 2.6
• What is linux-gate.so.1?
• Creating a vDSO: the Colonel’s Other Chicken