Zanim zagłębimy się w definicję wywołania systemowego Linux i zbadamy szczegóły jego wykonania, najlepiej zacząć od zdefiniowania różnych warstw oprogramowania typowego systemu Linux.
Jądro Linuksa to wyspecjalizowany program, który uruchamia się i działa na najniższym dostępnym poziomie na Twoim sprzęcie. Ma za zadanie organizowanie wszystkiego, co działa na komputerze, w tym obsługę zdarzeń związanych z klawiaturą, dyskiem i siecią, aby zapewnić przedziały czasu na wykonywanie wielu programów równolegle.
Gdy jądro wykonuje program na poziomie użytkownika, wirtualizuje przestrzeń pamięci, aby programy wierzyły, że są jedynym procesem działającym w pamięci. Ta ochronna bańka izolacji sprzętu i oprogramowania zwiększa bezpieczeństwo i niezawodność. Nieuprzywilejowana aplikacja nie może uzyskać dostępu do pamięci należącej do innych programów, a jeśli ten program ulegnie awarii, jądro kończy działanie, aby nie mogło zaszkodzić reszcie systemu.
Pokonywanie barier dzięki wywołaniom systemu Linux
Ta warstwa izolacji między nieuprzywilejowanymi aplikacjami stanowi doskonałą granicę do ochrony innych aplikacji i użytkowników w systemie. Jednak bez jakiegoś sposobu komunikowania się z innymi elementami komputera i świata zewnętrznego programy nie byłyby w stanie wiele osiągnąć.
Aby ułatwić interakcję, jądro wyznacza bramkę oprogramowania, która umożliwia uruchomionemu programowi żądanie, aby jądro działało w jego imieniu. Ten interfejs jest znany jako wywołanie systemowe.
Ponieważ Linux podąża za filozofią UNIX, że wszystko jest plikiem, wiele funkcji można wykonać, otwierając i czytając lub zapisując do pliku, który może być urządzeniem. Na przykład w systemie Windows możesz użyć funkcji o nazwie CryptGenRandom, aby uzyskać dostęp do losowych bajtów. Ale w Linuksie można to zrobić po prostu otwierając plik /dev/urandom i odczytując z niego bajty za pomocą standardowych wywołań systemowych wejścia/wyjścia pliku. Ta zasadnicza różnica pozwala na prostszy interfejs wywołań systemowych.
Cienkie opakowanie waflowe
W większości aplikacji wywołania systemowe nie są kierowane bezpośrednio do jądra. Praktycznie wszystkie programy łączą się w standardowej bibliotece C, która zapewnia cienkie, ale ważne opakowanie wokół wywołań systemowych Linuksa. Biblioteka upewnia się, że argumenty funkcji są kopiowane do właściwych rejestrów procesora, a następnie wydaje odpowiednie wywołanie systemowe Linuksa. Gdy dane są odbierane z wywołania, opakowanie interpretuje wyniki i zwraca je z powrotem do programu w spójny sposób.
Za kulisami
Każda funkcja w programie, która współdziała z systemem, jest ostatecznie tłumaczona na wywołanie systemowe. Aby zobaczyć to w akcji, zacznijmy od podstawowego przykładu.
próżniaGłówny() {}
Jest to prawdopodobnie najbardziej trywialny program w C, jaki kiedykolwiek widziałeś. Po prostu przejmuje kontrolę przez główny punkt wejścia, a następnie wychodzi. Nie zwraca nawet wartości, ponieważ main jest zdefiniowany jako void. Zapisz plik jako ctest.c i skompilujmy go:
test gcc.C -testPo skompilowaniu możemy zobaczyć rozmiar pliku jako 8664 bajty. Może się nieznacznie różnić w twoim systemie, ale powinien wynosić około 8k. To dużo kodu, aby wejść i wyjść! Powodem, dla którego jest to 8k, jest fakt, że dołączono środowisko uruchomieniowe libc. Nawet jeśli usuniemy symbole, nadal jest to odrobinę ponad 6 tys.
W jeszcze prostszym przykładzie możemy wywołać system Linux do wyjścia, zamiast polegać na środowisku wykonawczym C, które zrobi to za nas.
próżnia_początek() {jako M('ruch $1,%eax;'
'xorl %ebx,%ebx;'
„int 0x80 zł”);
}
Tutaj przenosimy 1 do rejestru EAX, czyścimy rejestr EBX (który w innym przypadku zawierałby wartość zwracaną), a następnie wywołujemy przerwanie wywołania systemowego Linuksa 0x80 (lub 128 dziesiętnie). To przerwanie powoduje, że jądro przetworzy nasze wywołanie.
Jeśli skompilujemy nasz nowy przykład, o nazwie asmtest.c, usuniemy symbole i wykluczymy bibliotekę standardową:
gcc-s-testowanie nostdlib.C -o asmtestutworzymy plik binarny mniejszy niż 1k (w moim systemie daje to 984 bajty). Większość tego kodu to wykonywalne nagłówki. Nazywamy teraz bezpośrednie wywołanie systemowe Linuksa.
Do wszystkich praktycznych celów
W prawie wszystkich przypadkach nie będziesz musiał wykonywać bezpośrednich wywołań systemowych w swoich programach C. Jeśli jednak używasz języka asemblerowego, może zaistnieć taka potrzeba. Jednak w optymalizacji najlepiej byłoby pozwolić funkcjom z biblioteki C wykonywać wywołania systemowe i mieć tylko kod krytyczny dla wydajności osadzony w dyrektywach asemblera.
Jak programować samouczki wywołań systemowych
Lista wszystkich wywołań systemowych
Jeśli chcesz zobaczyć listę wszystkich dostępnych wywołań systemowych dla Linuksa, możesz sprawdzić te strony referencyjne: Pełna lista wywołań systemowych na LinuxHint.com, filippo.io/linux-syscall-table/ i lub syscalls.kernelgrok.com