前言
当操作系统运行到main程序中有这样一行代码
if(!fork()){init();}
这是创建一个子进程，对于windows来说就是启动桌面，对于linux来说就是打开shell。这一篇文章说说操作系统的接口以及实现，即上层应用是如何穿过接口进入操作系统的
一、接口
1.接口的定义
一般情况下我们有三种方式来操作计算机：
1.命令行：即通过命令程序，linux系统中常用此种方式
2.图形按钮：通过鼠标点击等操作实现对计算机的操控。windows系统在这方面做的就非常优秀。这种方式通过消息框架程序和消息处理程序实现
3.应用程序
不管采用何种方式，我们都需要让操作系统和应用程序之间建立联系。如何建立连接 ? 操作系统接口
接口其实是一种抽象，比如插排，它将内部的电路全部封装起来，只提供两个插口，用电设备插上就能用；不用管插座内部是如何实现的。
操作系统接口也具有连接两个东西、屏蔽细节、方便用户使用的特点。它连接上层应用软件和底层硬件，屏蔽细节，用户直接通过程序(应用软件)使用计算机，方便用户使用。
操作系统的接口其实就是一个个函数，知道它的功能然后直接调用就行，而不用管它内核里面是怎么实现的，因为这个函数是系统调用的，所以也称为系统调用
。比如：write()、read()等等
2.接口分类
操作系统接口的功能就是提供一个用户使用系统的界面。根据服务对象的不同，
操作系统的接口可以划分为两类：一是供用户使用的用户级接口，二是供程序使用的程序级接口。
操作系统中有专门响应用户控制要求的接口，负责系统与用户之间的双向信息传送
(1)用户接口
用户接口就是操作系统向用户提供的使用界面。分为脱机接口与交互式接口两种
(2) 程序接口
程序级接口是为程序访问系统资源而提供的，它由一组系统调用组成。系统调用(System Call)可以看作是由操作系统内核提供的一组广义指令。程序员在设计程序时，凡涉及到系统资源访问的操作，如文件读/写、数据输入/输出、网络传输等，都必须通过系统调用来实现。所以说，
系统调用是操作系统提供给应用程序的唯一接口。
从层次上来看，用户接口属于高层接口，是用户与操作系统之间的接口。而程序接口则是低级接口，是任何核外程序(包括应用程序和系统程序)与操作系统内核之间的接口。用户接口的功能最终是通过程序接口来实现的。
二、系统调用的实现
1.系统调用
计算机硬件系统并
不允许我们在内存中通过jmp等跳转指令直接调用操作系统内核提供的函数，因为这样有可能会导致敏感信息的泄露
为了确保系统的安全性，计算机硬件为我们设计了
内核态和用户态的模式，内核态可以访问用户态的信息，但用户态不能访问内核态。
用户程序的CPL（Current Privilege Level）初始化结果是3，而操作系统内核里函数的DPL（Descriptor Privilege Level）是0，所以用户对内核的访问权限不够。
CPL寄存器表示当前程序执行在什么态，0表示内核态，3表示用户态；
DPL寄存器表示即将访问的数据在什么段，同样0表示内核段，3表示用户段。
每次访问数据的时候检查两个寄存器的大小关系，若DPL≥CPL，则可以访问，反之，则不能访问
把内存分为了操作系统内核段和用户程序用户段，把在内核段执行的代码和数据称为处于内核态，把在用户段执行的代码和数据称为处于用户态，将内核程序和用户程序隔离。所以：
内核态：处于内核态可以访问用户段和内核段的数据
用户态：处于用户态只能访问用户段的数据而不能访问内核段的数据
为了实现系统调用，操作系统为我们提供了用户程序调用内核函数的唯一方法：
中断指令int
。当程序执行到int指令时，int指令会将CS中的CPL修改为0，当访问内核结束之后，又将CPL重置为3继续执行用户程序。
系统调用的核心：
(1)用户程序中包含一段包含int指令的代码
(2)操作系统中有中断函数表，从中可以获取中断服务函数入口地址
(3)操作系统执行中断服务函数
2.具体实现
以printf为例：printf(“%d”,a)
内核中printf()函数：
//printf()产生格式化信息输出到标准设备stdout(1),在屏幕上显示
// 参数fmt：指定输出将采用的格式
static int printf(const char *fmt, ...)
{
va_list args;
int i;
va_start(args, fmt);
write(1,printbuf,i=vsprintf(printbuf, fmt, args));
va_end(args);
return i;
}
在printf()内部其实是调用了系统函数write()
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
//fd：要进行写操作的文件描述符
//buf：需要输出的缓冲区
//count：最大输出字节计数
printf()函数的形参和write()的形参是不一样的，因此如果printf(“%d”,a)能调用write函数的话，肯定要对printf的形参进行处理，使其符合write函数的格式，或者说换一种方式调用。在printf()函数里面调用write()如下所示：
_syscall3 是一个嵌入汇编宏定义
#define _syscall3(type,name,atype,a,btype,b,ctype,c) \
type name(atype a,btype b,ctype c) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
: "=a" (__res) \
: "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a)),"c" ((long)(b)),"d" ((long)(c))); \
if (__res>=0) \
return (type) __res; \
errno=-__res; \
return -1; \
}
分析：
_syscall3这个宏调用之后就是展开成上面的一段汇编代码
比如write调用：
_syscall3(int, write, int, fd, const char* buf, off_t, count)
就是将宏展开的代码中的
type=int,name=write,atype=int,a=fd,btype=const char * ,b=buf,ctype=off_t,c=count;
用这些来替换,所以
type name(atype a, btype b, ctype c)
就变成了
int write(int fd,const char * buf, off_t count)
这样，展开的汇编代码一样跟着变。int 0x80这个中断，前面已经说过在head.s里面会重新建立idt表，之后中断就是表示根据中断号查那个表，然后获取中断服务函数的入口地址，
0x80这个中断就是进入操作系统内核，这是上层应用进入操作系统的唯一手段
，int 0x80相当于是操作系统的一个门户
接着看_syscall3宏定义下面的代码
long __res; \ //定义一个寄存器
__asm__ volatile ("int $0x80" \ //中断指令
: "=a" (__res) \ //输出，最后将eax-->res中，作为函数输出
: "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a)),"c" ((long)(b)),"d" ((long)(c))); \ //输入
// "0":表示使用与上面同个位置的输出相同的寄存器 eax
// 将__NR_##name赋值给eax
//__NR_write称为系统调用号
// 然后，把形参的a、b、c依次赋值给ebx、ecx、edx三个寄存器
if (__res>=0) \
return (type) __res; \
errno=-__res; \
return -1; \
这是一段内嵌汇编，分为四部分
__asm__("汇编语句"
:输出寄存器
:输入寄存器
:会被修改的寄存器
)
详情见下面这篇文章：
添加链接描述
__NR_write称为系统调用号
在linux/inlcude/unistd.h中
# define __NR_write 4
所有的系统调用都是通过int 0x80这个中断来调用的,
根据这个系统调用号来区分__NR_write表示write调用，会接着执行write对应的内核代码，__NR_read表示read调用，同理，其他的系统调用号也是如此
在内嵌汇编中,”a”这种被称作
限制字符
"a" 将输入变量放入eax
"b" 将输入变量放入ebx
"c" 将输入变量放入ecx
"d" 将输入变量放入edx
"s" 将输入变量放入esi
"d" 将输入变量放入edi
"q" 将输入变量放入eax，ebx，ecx，edx中的一个
"r" 将输入变量放入通用寄存器，也就是eax，ebx，ecx，edx，esi，edi中的一个
所以，把形参的a、b、c依次赋值给ebx、ecx、edx三个寄存器
输入完成之后就通过int 0x80这个中断号进入操作系统，int 0x80这条指令执行完之后，eax中就会存放int 0x80的返回值，然后将这个返回值赋值给__res，__res就是int write()这个系统调用的返回值。write这个系统调用也就结束了
小结:_syscall3宏定义
格式：#define _syscall3(type,name,atype,a,btype,b,ctype,c)
type 表示函数返回值，name表示函数名，后面分别是三个形参的类型和行参名。
name不同，系统调用号不同，所以调用_syscall3之后执行的代码不同，在宏里面通过
int 0x80进入系统内核并将指条指令的结果存在eax寄存器中，然后返回到宏的调用处
INT 0x80 指令
int 0x80是进入中断服务函数的一条指令，所以int 指令首先要查idt表转去哪里执行
void sched_init(void)
{ set_system_gate(0x80,&system_call); }
int 0x80对应的中断处理程序就是system_call，从这个init就知道这是一个初始化，0x80这个中断就是用后面这个system_call来处理，那么系统是怎么设置的呢？通过set_system_gate这个宏
在linux/include/asm/system.h中
#define set_system_gate(n, addr) \
_set_gate(&idt[n],15,3,addr); //idt是中断向量表基址
然后在set_system_gate这个宏又调用了_set_gate这个宏，
#define _set_gate(gate_addr,type,dpl,addr) \
__asm__ ("movw %%dx,%%ax\n\t" \
"movw %0,%%dx\n\t" \
"movl %%eax,%1\n\t" \
"movl %%edx,%2" \
: \
: "i" ((short) (0x8000+(dpl<<13)+(type<<8))), \
"o" (*((char *) (gate_addr))), \
"o" (*(4+(char *) (gate_addr))), \
"d" ((char *) (addr)),"a" (0x00080000))
_set_gate这个宏的作用就是建立一个类似这样的下图表，处理函数入口点偏移=system_call,DPL就是3，段选择符就是0x0008,即CS是8
用户态的程序如果要进入内核，必须使用0x80号中断，那么就必须先要进入idt表。用户态的CPL=3，且idt表的DPL故意设置成3，因此能够跳到idt表，跳到idt表中之后就能找到之后程序跳转的地方，也就是中断服务函数的起始地址，CS就是段选择符（8），ip就是”处理函数入口点偏移“。
在setup.s中指令： jmpi 0,8
这条指令表示根据gdt表跳转到内核代码的地址0处。CS=8，ip=system_call就是跳到内核的system_call这个函数；另外如果CS=8，那么CPL=0，因为CPL是CS最低两位。也就是说当前程序的特权级变了，变成内核态的了。完整流程：初始化的时候0x80号中断的DPL设成3，让用户态的代码能跳进来，跳进来之后根据CS=8将CPL设为0，到了内核态，到了内核态就什么都能干了，将来int 0x80返回的之后，CS最后两位肯定变成3，变成用户态
中断处理函数system_call
在linux/kernel/system_call.s中
nr_system_calls=72
.globl _system_call
_system_call: cmpl $nr_system_calls-1,%eax
ja bad_sys_call
push %ds push %es push %fs
pushl %edx pushl %ecx pushl %ebx //调用的参数
movl $0x10,%edx mov %dx,%ds mov %dx,%es //内核数据
movl $0x17,%edx mov %dx,%fs //fs可以找到用户数据
call _sys_call_table(,%eax,4) //a(,%eax,4)=a+4*eax
pushl %eax //返回值压栈，留着ret_from_sys_call时用
... //其他代码
ret_from_sys_call: popl %eax, 其他pop, iret
前面都是压栈和赋值，接着调用了_sys_call_table(,%eax,4)。
a(,%eax,4)=a+4
eax,所以_sys_call_table(,%eax,4)=_sys_call_table+4
%eax；这是一种寻址方式。eax是系统调用号
_sys_call_table
在include/linux/sys.h中
fn_ptr sys_call_table[]=
{sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read, sys_write,
...};
在include/linux/sched.h中
typedef int (fn_ptr*)();
sys_call_table是一个fn_ptr类型的全局函数表，fn_ptr是一个函数指针，4个字节，这就是_sys_call_table+4*%eax；这里为什么要*4的原因，sys_call_table的每一项都是4个字节，然后就可以根据eax来知道要调用的真正中断服务函数的入口地址了，对于write系统函数来说，就sys_write
系统调用进入内核态之后的过程：
printf ->_syscall3 ->write -> int 0x80 -> system_call -> sys_call_table -> sys_write
printf通用_syscall3这个宏调用write函数，在write函数里面用system_call来处理int 0x80,在system_call中会调用system_call_table这个表，根据eax中存储的系统调用号就可以找到真正的sys_write了。
总结
提示：这里对文章进行总结：
操作系统接口就是由C语言代码和由操作系统提供的一些重要函数组成。又因为这些函数调用时系统提供的，所以又叫系统调用(system_call)。我们通过系统调用就能在应用程序和操作系统之间建立连接