【操作系统】考研408操作系统核心考点：深入理解系统调用机制

(系统调用)

系统调用

导读

大家好，很高兴又和大家见面啦！！！

在上一篇内容中我们介绍了操作系统中的中断与异常的相关内容：

• 用户态：用户程序工作时的状态
• 内核态：操作系统内核工作时的状态
• 中断：也称外中断，是来自CPU执行指令外部的事件
  • 可屏蔽中断：通过INTR线发出的中断请求
  • 不可屏蔽中断：指通过NMI线发出的中断请求
• 异常：也称内中断，是来自CPU执行指令内部的事件
  • 故障：由指令执行引起的异常
  • 自陷：也称陷入，是一种事先安排的“异常”事件
  • 终止：是指出现了使得CPU无法继续执行的硬件故障

在今天的内容中，我们会认识操作系统中的系统调用，下面我们进入今天的内容吧！！！

一、定义

在前面的内容中，我们有介绍过，操作系统是作为用户和计算机硬件之间的接口，需要向上提供一些简单易用的服务。主要包括命令接口和程序接口。其中，程序接口是由一组系统调用组成。

graph TB
A[用户]
B[应用程序]
C[操作系统]
D[硬件]
A--->B--->C--->D
A--->C
C---> |命令接口| A
C---> |程序接口|B

系统调用是操作系统提供给应用程序使用的接口，可视为一种供应用程序调用的特殊函数。应用程序可以通过系统调用请求获得操作系统内核的服务

既然系统调用可以设为特殊的函数，那么它又与库函数之间有哪些区别呢？

1.1 系统调用与库函数的区别

在我们学习的高级编程语言（如C语言、C++、JAVA……）中，这些高级语言会提供一些库函数供我们使用，如C语言中的标准输入函数：scanf，标准输出函数：printf，取绝对值函数：abs……，这些库函数有一些就会涉及到系统调用（如输入、输出函数），而另一些则不涉及（如取绝对值）。

因此，对比库函数而言，系统调用是实现某些库函数的更加底层的特殊函数。

高级编程语言会通过将一些系统调用封装成库函数，用来隐藏一些系统调用的细节，以便为程序员提供更加方便的编程功能。

1.2 系统调用的必要性

系统调用（System Call）是用户应用程序（运行在“用户态”）请求操作系统内核（运行在“内核态”）为其提供服务或访问硬件资源的唯一通道和接口。​​

它的核心作用可以概括为：​​在保证系统安全、稳定和多任务高效运行的前提下，为应用程序提供必要的底层服务。

设想一下，当不存在系统调用时，若多个应用程序要访问同一个共享资源，此时会出现什么情况呢？

如果没有系统调用，多个应用程序同时尝试使用一个共享资源（如CPU、内存、硬盘、打印机、网络等），整个系统将陷入混乱、冲突和不安全的状态。

具体会出现的问题可以分为以下几类：

1. CPU 资源竞争：失去调度与控制

没有系统调用，操作系统就无法接管CPU的控制权。

• 问题： 一个应用程序可以无限期地霸占CPU，永不释放。其他应用程序将永远得不到运行的机会，整个系统除了这一个程序外，看起来就像“死机”了一样。
• 系统调用的作用： 操作系统通过时钟中断（一种硬件机制）和系统调用（如进程调度相关的调用），强制性地从当前应用程序收回CPU控制权，并根据调度算法公平地分配给下一个程序。这实现了“多任务”的错觉。

1. 内存资源竞争：相互破坏、隐私泄露

没有系统调用，所有程序的内存空间将完全不设防。

• 问题：
  • 无意覆盖： 程序A的一个指针错误可能轻易地写入程序B的内存空间，导致程序B崩溃或产生不可预知的行为，且很难调试。
  • 恶意窃取： 一个恶意程序可以随意读取其他程序内存中的所有数据，例如你的浏览器内存中保存的密码、银行账号等，隐私和安全荡然无存。
  • 空间耗尽： 一个程序可以无限制地申请和占用所有可用内存，导致其他程序无法运行。
• 系统调用的作用： 操作系统通过内存管理单元（MMU）和系统调用，为每个进程提供独立的虚拟地址空间。一个程序无法直接访问其他程序或内核的内存。当它需要更多内存时（通过 brk 或 mmap 等系统调用），由内核作为中介来分配和映射物理内存，确保了隔离性和安全性。

1. 硬件设备竞争：混乱与损坏

对于打印机、硬盘、声卡等硬件，如果没有协调，输出将会是混乱的。

• 问题（打印机例子）： 程序A和程序B同时向打印机发送数据。打印出的文件将是两份文档内容交织在一起的乱码，完全无法使用。
• 问题（硬盘例子）： 程序A和程序B同时要求硬盘在同一个位置写入数据。最终写入的数据可能是A的、可能是B的、也可能是损坏的混合体，导致数据完全丢失。
• 系统调用的作用： 操作系统是唯一的仲裁者（Arbiter）。所有程序对设备的请求都必须通过系统调用发给内核。内核维护着请求队列（例如打印假脱机系统），串行化这些请求，确保一个设备在同一时刻只为一个进程服务，从而保证输出的完整性和正确性。

1. 数据一致性问题

这与设备竞争类似，但更侧重于文件等数据资源。

• 问题： 程序A和程序B同时打开并修改同一个文件。它们都在自己的内存中有一份文件副本。当它们保存时，后保存的程序会覆盖先保存的程序所做的所有更改，导致数据丢失。
• 系统调用的作用： 操作系统通过文件系统提供并发控制机制，例如文件锁（fcntl 或 flock 系统调用）。当一个进程锁住文件时，其他进程要么等待，要么被告知无法访问，从而保护了数据的完整性。

也就是说，如果没有系统调用，计算环境将退回到无政府状态：

1. 无隔离（No Isolation）： 应用程序之间、应用程序与操作系统之间没有边界，可以相互窥探和破坏。
2. 无协调（No Coordination）： 对共享资源的访问是混乱的“抢着用”，而不是有秩序的“分着用”。
3. 无特权（No Privilege）： 应用程序可以执行任何指令（包括那些直接关闭硬件电源的危险指令），系统极其脆弱。
4. 无多任务（No Multitasking）： 无法实现多个程序同时稳定运行的体验。

因此，系统调用是操作系统为用户程序提供服务的唯一安全通道，同时也是管理和保护系统资源的最根本机制。它就像是城市中的交通信号灯和交通法规，如果没有它们，所有车辆（应用程序）在路口（共享资源）只会挤成一团，事故频发，谁也无法高效通行。

二、功能

系统中的各种共享资源都由操作系统同一掌管，因此凡事与共享资源相关的操作（如存储分配、I/O传输及文件管理等），都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成，并将处理结果返回给应用程序。这样就可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户进行非法操作。

通常，一个操作系统提供的系统调用命令有几十条乃至上白条之多，每个系统调用都有唯一的系统调用号。这些系统调用按功能大致可以分为以下几类：

• 设备管理：完成设备的请求或释放，以及设备的启动等功能
• 文件管理：完成文件的读、写、创建及删除等功能
• 进程控制：完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能
• 进程通信：完成进程之间的消息传递或信号传递等功能
• 内存管理：完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小和起始地址等功能

显然，系统调用相关功能涉及系统资源管理、进程管理之类的操作，对整个系统的影响非常大，因此系统调用的处理需要由操作系统内核程序负责完成，要运行在内核态。

三、调用过程

在说明系统调用过程之前，我们需要先理解什么是陷入指令：

陷入指令（Trap Instruction）​​ 是计算机体系结构和操作系统中一个非常关键的概念。它指的是​​一条特殊的机器指令，当 CPU 执行这条指令时，会主动、有意识地触发一个从用户态（User Mode）到内核态（Kernel Mode）的切换，并将控制权交给操作系统内核预先定义好的处理程序。​

下面我们再来看一下系统调用的整个过程：

1. 用户程序首先将系统调用号和所需的参数压入堆栈；

graph TB
A[系统调用号1]
B[系统调用号2]
C[参数1]
D[参数2]
E[堆栈]
F[...]
A--->E
B--->E
F--->E
C--->E
D--->E
f[...]--->E
G[陷入指令]

1. CPU调用实际的调用指令

graph TB
A[CPU]--->B[调用指令1]
A--->C[调用指令2]
A--->D[...]

1. 执行陷入指令，将CPU状态从用户态转为内核态

graph LR
f[用户态CPU]--->e[陷入指令]--->a[内核态CPU]

1. 硬件和操作系统内核程序保护被中断进程的现场，将程序计数器（PC）、程序状态字（PSW）以及通用寄存器内容等压入堆栈

graph TB
a[PC]
B[PSW]
C[通用寄存器存内容]
e[...]
f[堆栈]
a--->f
B--->f
C--->f
e--->f

1. 分析系统调用类型，转入相应的系统调用处理子程序。

graph LR
a[系统调用1]--->b[CPU]--->c[系统调用1处理子程序]
d[系统调用2]--->b--->e[系统调用2处理子程序]
f[...]--->b--->g[...]

为了更好的分析系统调用类型，在系统中配置了一张系统调用入口表，表中的每个表项都对应一个系统调用，根据系统调用号可以找到该系统调用处理子程序的入口地址，如下所示：

1. 在系统调用处理子程序执行结束后，恢复被中断的或设置新进程的CPU现场

graph LR
a[内核态CPU]--->B[用户态CPU]

1. 返回被中断的进程或新进程，继续往下执行

graph TB
A[系统调用号3]
B[系统调用号4]
C[参数3]
D[参数4]
E[堆栈]
F[...]
A--->E
B--->E
F--->E
C--->E
D--->E
f[...]--->E

系统调用的整个过程，我们可以简单的理解为：

graph TB
A[用户态CPU执行用户程序进程]--->a[用户程序调用系统调用]--->b[用户态CPU执行陷入指令]--->c[内核态CPU执行系统调用]--->d[内核态CPU执行返回指令]
d--->e[用户态CPU执行后续进程]

结语

今天的内容到这里就结束了，通过本文的学习，我们系统地梳理了操作系统系统调用（System Call） 的核心概念与工作机制。让我们简单回顾一下重点：

• 系统调用的本质：是应用程序向操作系统内核请求服务的唯一安全通道，运行于内核态，是一种特殊的、底层的接口。
• 与库函数的区别：库函数是更高层次的封装，部分库函数基于系统调用实现，但并非所有库函数都涉及系统调用。
• 存在的必要性：它是实现资源安全访问、多任务协调和系统稳定性的基石。没有系统调用，整个计算环境将陷入混乱、竞争和不安全的状态。
• 主要功能：涵盖了设备管理、文件操作、进程控制、进程通信和内存管理等关键操作。
• 调用过程的核心：通过陷入指令（Trap Instruction） 主动从用户态切换至内核态，由内核统一处理后再返回用户态。

理解系统调用，是理解操作系统如何管理资源、提供服务并保障安全的关键一步。

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