系统调用

用户程序不能直接执行特权指令，也不能直接访问受保护的内核数据和设备。当它需要操作系统服务时，应执行系统调用指令，引发同步自陷；CPU 切换到内核态并进入内核的系统调用处理程序，由内核检查参数与权限后完成相应操作，必要时执行特权指令，最后返回用户态。

类型 例子
进程控制 创建进程、终止进程、等待子进程
文件管理 创建、打开、读写、关闭、删除文件
设备管理 请求 I/O、释放设备、获取设备状态
内存管理 申请内存、映射文件、调整地址空间

调用过程

一次系统调用跨越用户态与内核态：

  1. 用户程序按照约定准备系统调用号和参数。
  2. 用户程序在用户态执行体系结构规定的系统调用入口指令，例如 x86-64 的 syscall、ARM 的 SVC、RISC-V 的 ecall，以及早期 x86/Linux 使用的 int 0x80。
  3. CPU 按照该指令规定的方式完成受控转移：保存必要的返回信息、切换到内核态，并跳转到内核预先设置的系统调用入口。
  4. 系统调用入口检查系统调用号和参数，再分派到对应的内核处理程序。
  5. 内核处理程序执行所请求的服务，将结果或错误码写入约定位置。
  6. 内核执行返回操作，恢复用户程序现场和用户态，用户程序从入口指令之后继续运行。

一次系统调用中，不同环节所处的状态如下：

环节 CPU 状态 执行的操作
发起请求 用户态 准备系统调用号和参数，执行 syscall 等入口指令
进入内核 状态切换边界 CPU 保存必要现场、切换特权级，并跳转到内核规定的入口
处理请求 内核态 内核检查参数和权限，执行系统调用服务；需要时执行特权指令
返回用户程序 内核态到用户态 内核恢复现场并执行返回操作，用户程序继续运行

用户程序主动请求进入内核属于同步控制转移，它由当前执行的指令触发，与外部设备异步产生的中断不同。这种受控进入内核的过程抽象即为 trap（自陷）。CPU 状态和切换条件见 CPU-Modes，同步异常的分类见 异常。

用户程序不能自行修改特权级

系统调用入口指令只负责发出受控请求。真正的状态切换、入口选择和现场保护由硬件按照预设规则完成，用户程序不能指定任意内核入口，也不能直接把 CPU 改为内核态。

system call $\neq$ syscall

`system call` 不等于 `syscall`
  • system call 是一套完整机制流程，包括用户发出请求、进入内核、执行内核服务和返回用户态，在用户态被调用，在内核态执行。
  • syscall 属于非特权指令，是用户程序进入内核的入口，即trap，调用与执行都在用户态。

后者不是前者的简写！！！二者完全不是同一个概念！！！

库函数

调用库函数不等于发起系统调用。 库函数是程序调用的普通函数接口，是否进入内核取决于其实现：

  • 数学计算、字符串处理等库函数通常完全在用户态执行。
  • 文件创建、进程创建、网络读写等库函数通常封装一个或多个系统调用。
  • 一个库函数可能在用户态完成部分工作，只在必要时进入内核。例如带缓冲的输出函数可以先把数据写入用户态缓冲区，缓冲区需要提交时才调用内核写接口。

因此，调用库函数是语言或运行库层面的函数调用；执行系统调用则意味着通过受控入口请求操作系统服务，并发生用户态到内核态的切换。