Системный вызов

Не путать с системной командой .

Общий обзор интерфейса системных вызовов ядра Linux, который обеспечивает связь между различными компонентами и пользовательским пространством.

В вычислительной технике системный вызов (обычно сокращенно syscall ) — это программный способ, которым компьютерная программа запрашивает услугу у операционной системы. на котором оно выполняется. Сюда могут входить службы, связанные с оборудованием (например, доступ к жесткому диску или доступ к камере устройства), создание и выполнение новых процессов , а также связь со встроенными службами ядра, такими как планирование процессов . Системные вызовы обеспечивают необходимый интерфейс между процессом и операционной системой.

В большинстве систем системные вызовы могут выполняться только из процессов пользовательского пространства , тогда как в некоторых системах, OS/360 и последующих версиях , привилегированный системный код также выполняет системные вызовы. например

Для встроенных систем системные вызовы обычно не меняют привилегированный режим ЦП.

Привилегии

Архитектура большинства современных процессоров , за исключением некоторых встраиваемых систем, предполагает модель безопасности . Например, модель колец определяет несколько уровней привилегий, с которыми может выполняться программное обеспечение: программа обычно ограничена своим собственным адресным пространством , так что она не может получить доступ или изменить другие запущенные программы или саму операционную систему, и обычно ей не разрешается напрямую манипулировать аппаратные устройства (например, буфер кадров или сетевые устройства).

Однако многим приложениям необходим доступ к этим компонентам, поэтому операционная система предоставляет системные вызовы для обеспечения четко определенных и безопасных реализаций таких операций. Операционная система работает на самом высоком уровне привилегий и позволяет приложениям запрашивать службы посредством системных вызовов, которые часто инициируются посредством прерываний . Прерывание автоматически переводит процессор на некоторый повышенный уровень привилегий, а затем передает управление ядру, которое определяет, следует ли предоставить вызывающей программе запрошенную услугу. Если услуга предоставлена, ядро ​​выполняет определенный набор инструкций, над которыми вызывающая программа не имеет прямого контроля, возвращает уровень привилегий вызывающей программе, а затем возвращает управление вызывающей программе.

Библиотека как посредник

Как правило, системы предоставляют библиотеку или API , который находится между обычными программами и операционной системой. В Unix-подобных системах этот API обычно является частью реализации библиотеки C (libc), такой как glibc , которая предоставляет функции-оболочки для системных вызовов, часто называемых так же, как системные вызовы, которые они вызывают. В Windows NT этот API является частью Native API . ntdll.dll библиотека ; это недокументированный API, используемый реализациями обычного API Windows и напрямую используемый некоторыми системными программами в Windows. Функции-оболочки библиотеки предоставляют обычное соглашение о вызове функций ( вызов подпрограммы на уровне сборки ) для использования системного вызова, а также делают системный вызов более модульным . Здесь основная функция оболочки — поместить все аргументы, которые будут переданы системному вызову, в соответствующие регистры процессора (а, возможно, и в стек вызовов ), а также установить уникальный номер системного вызова для вызова ядра. . Таким образом, библиотека, существующая между ОС и приложением, повышает переносимость .

Вызов библиотечной функции сам по себе не вызывает переключения в режим ядра и обычно представляет собой обычный вызов подпрограммы (с использованием, например, ассемблерной инструкции «CALL» в некоторых архитектурах набора инструкций (ISA)). Фактический системный вызов передает управление ядру (и в большей степени зависит от реализации и платформы, чем абстрагирующий его библиотечный вызов). Например, в Unix-подобных системах fork и execve — это функции библиотеки C, которые, в свою очередь, выполняют инструкции, вызывающие fork и exec системные вызовы. Выполнение системного вызова непосредственно в коде приложения более сложно и может потребовать использования встроенного ассемблерного кода (в C и C++ ), а также знания низкоуровневого двоичного интерфейса для операции системного вызова, что может быть предметом изменяться со временем и, таким образом, не быть частью двоичного интерфейса приложения ; библиотечные функции предназначены для абстрагирования этого.

В системах на основе экзоядра библиотека особенно важна как посредник. В экзоядрах библиотеки защищают пользовательские приложения от API ядра очень низкого уровня и обеспечивают абстракции и ресурсами управление .

IBM OS/360 , DOS/360 и TSS/360 реализуют большинство системных вызовов через библиотеку макросов языка ассемблера . хотя есть несколько сервисов с привязкой звонков. Это отражает их происхождение в то время, когда программирование на языке ассемблера было более распространенным, чем использование языка высокого уровня . Таким образом, системные вызовы IBM не могли напрямую выполняться программами на языке высокого уровня, но требовали вызываемой подпрограммы-оболочки языка ассемблера. С тех пор IBM добавила множество сервисов, которые можно вызывать из языков высокого уровня, например, в z/OS и z/VSE . В более позднем выпуске MVS/SP и во всех более поздних версиях MVS некоторые макросы системных вызовов генерируют вызов программы (PC).

Примеры и инструменты

В Unix , Unix-подобных и других POSIX -совместимых операционных системах популярные системные вызовы: open, read, write, close, wait, exec, fork, exit, и kill. Многие современные операционные системы имеют сотни системных вызовов. Например, Linux и OpenBSD имеют более 300 различных вызовов. NetBSD имеет около 500, Во FreeBSD их более 500, В Windows имеется около 2000 системных вызовов, разделенных на Win32k (графический) и ntdll (основной). в то время как в Плане 9 их 51.

Такие инструменты, как strace , ftrace и truss, позволяют процессу выполняться с самого начала и сообщать обо всех системных вызовах, которые вызывает процесс, или могут подключаться к уже запущенному процессу и перехватывать любой системный вызов, сделанный указанным процессом, если операция не нарушает разрешения. пользователя. Эта особая способность программы обычно также реализуется с помощью системных вызовов, таких как ptrace или системных вызовов файлов в procfs .

Типичные реализации

Реализация системных вызовов требует передачи управления из пространства пользователя в пространство ядра, что включает в себя некоторую особенность, специфичную для архитектуры. Типичный способ реализовать это — использовать программное прерывание или ловушку . Прерывания передают управление ядру операционной системы , поэтому программному обеспечению просто необходимо настроить некоторый регистр с необходимым номером системного вызова и выполнить программное прерывание.

Это единственный метод, предусмотренный для многих процессоров RISC , но архитектуры CISC, такие как x86, поддерживают дополнительные методы. Например, набор инструкций x86 содержит инструкции SYSCALL/ SYSRET и SYSENTER/ SYSEXIT (эти два механизма были независимо созданы AMD и Intel соответственно, но по сути они делают одно и то же). Это «быстрые» инструкции передачи управления, которые предназначены для быстрой передачи управления ядру для системного вызова без затрат на прерывание. Linux 2.5 начал использовать это на x86 , где это возможно; раньше он использовал INT инструкцию, в которой номер системного вызова помещался в EAX зарегистрируйтесь до того, как будет выполнено прерывание 0x80.

Более старый механизм — это шлюз вызова ; первоначально использовался в Multics и позже, например, см. шлюз вызова на Intel x86 . Это позволяет программе напрямую вызывать функцию ядра, используя безопасный механизм передачи управления, который операционная система устанавливает заранее. Этот подход был непопулярен на x86, предположительно из-за требования дальнего вызова (вызов процедуры, расположенной в сегменте, отличном от текущего сегмента кода). ), который использует сегментацию памяти x86 и, как следствие, отсутствие переносимости , а также существование более быстрых инструкций, упомянутых выше.

Для IA-64 архитектуры EPC Используется команда (Введите привилегированный код). Первые восемь аргументов системного вызова передаются в регистрах, а остальные — в стеке.

В семействе мэйнфреймов IBM System/360 и его преемниках инструкция вызова супервизора ( SVC ), с номером в инструкции, а не в регистре, реализует системный вызов для устаревших средств в большинстве случаев. Собственные операционные системы IBM и все системные вызовы в Linux. В более поздних версиях MVS IBM использует инструкцию Program Call (PC) для многих новых средств. В частности, ПК используется, когда вызывающий абонент может находиться в режиме блокировки запроса на обслуживание (SRB).

PDP -11 Миникомпьютер использовал ЕМТ , ЛОВУШКА и Инструкции IOT , которые, как и IBM System/360 SVC и x86 INT , поместите код в инструкцию; они генерируют прерывания по определенным адресам, передавая управление операционной системе. VAX использовал 32 - битный преемник серии PDP-11 ЧМК , ЧМЕ и Инструкции CHMS для выполнения системных вызовов привилегированного кода на различных уровнях; код является аргументом инструкции.

Категории системных вызовов

Системные вызовы можно условно сгруппировать в шесть основных категорий:

1. Управление процессом
   • создать процесс (например, fork в Unix-подобных системах или NtCreateProcess в Windows NT собственном API )
   • завершить процесс
   • загрузить , выполнить
   • получить/установить атрибуты процесса
   • время ожидания , событие ожидания, сигнала событие
   • выделить и освободить память
2. Управление файлами
   • создать файл, удалить файл
   • открыть, закрыть
   • читать, писать, перемещать
   • получить/установить атрибуты файла
3. Управление устройствами
   • запросить устройство, освободить устройство
   • читать, писать, перемещать
   • получить/установить атрибуты устройства
   • логически подключать или отключать устройства
4. Информационное обслуживание
   • получить/установить общую информацию о системе (включая время, дату, имя компьютера, предприятие и т. д.)
   • получить/установить метаданные процесса, файла или устройства (включая автора, начало, время и дату создания и т. д.)
5. Коммуникация
   • создать, удалить соединение связи
   • отправлять, получать сообщения
   • информация о статусе передачи
   • подключать или отключать удаленные устройства
6. Защита
   • получить/установить права доступа к файлу

Режим процессора и переключение контекста

Системные вызовы в большинстве Unix-подобных систем обрабатываются в режиме ядра , что достигается путем изменения режима выполнения процессора на более привилегированный, но процесса переключение контекста не требуется – хотя переключение контекста привилегий все же происходит. Аппаратное обеспечение видит мир с точки зрения режима выполнения в соответствии с регистром состояния процессора , а процессы — это абстракция, предоставляемая операционной системой. Системный вызов обычно не требует переключения контекста на другой процесс; вместо этого он обрабатывается в контексте того процесса, который его вызвал.

В многопоточном процессе системные вызовы могут выполняться из нескольких потоков . Обработка таких вызовов зависит от конструкции конкретного ядра операционной системы и среды выполнения приложения. В следующем списке показаны типичные модели, за которыми следуют операционные системы:

• Модель «многие к одному» . Все системные вызовы из любого пользовательского потока в процессе обрабатываются одним потоком уровня ядра. У этой модели есть серьезный недостаток — любой блокирующий системный вызов (например, ожидание ввода от пользователя) может заморозить все остальные потоки. Кроме того, поскольку одновременно к ядру может обращаться только один поток, эта модель не может использовать несколько ядер процессоров.
• Модель «один к одному» : каждый пользовательский поток присоединяется к отдельному потоку уровня ядра во время системного вызова. Эта модель решает описанную выше проблему блокировки системных вызовов. Он встречается во всех основных дистрибутивах Linux , macOS , iOS , последних версиях Windows и Solaris .
• Модель «многие ко многим» . В этой модели пул пользовательских потоков сопоставляется с пулом потоков ядра. Все системные вызовы из пула пользовательских потоков обрабатываются потоками из соответствующего пула потоков ядра .
• Гибридная модель. Эта модель реализует модели «многие ко многим» и «один к одному» в зависимости от выбора, сделанного ядром. Это встречается в старых версиях IRIX , HP-UX и Solaris .

См. также

• ДВА API
• API ядра Linux
• вДСО

Внешние ссылки

• Список современных Unix-подобных системных вызовов
• Интерактивная карта ядра Linux с основными функциями и структурами API, PDF версия
• Системные вызовы Linux — системные вызовы для ядра Linux 2.2 с IA-32. соглашениями о вызовах
• Как работают системные вызовы в Linux/i86 (1996 г., на основе ядра 0.99.2 1993 г.)
• Механизм системных вызовов на основе Sysenter в Linux 2.6 (2006 г.)
• Команда ядра с использованием системных вызовов Linux , IBM DeveloperWorks
• Чоудхари, Амит; HOWTO по реализации системного вызова в Linux 2.6
• Йоррит Н. Гердер, Герберт Бос, Бен Грас, Филип Хомбург и Эндрю С. Таненбаум, Программирование модульных систем на Minix 3 , ;логин: 31, вып. 2 (апрель 2006 г.); 19–28, по состоянию на 5 марта 2018 г.
• Простая открытая оболочка Unix на языке C – примеры системных вызовов в Unix
• Внутри собственного API — Windows NT Native API , включая системные вызовы.
• Гулбрандсен, Джон; Оптимизация системных вызовов с помощью инструкции SYSENTER , CodeGuru.com, 8 октября 2004 г.