一 系统调用的意义

在操作系统内存中，肯定存在很多敏感的数据，只希望在特定的场景下才能访问。例如linux登录之后，用户的密码可能就被缓存在了内存的某个位置。

假如用户程序可以随意访问内存中的数据的话，另一个用户就可以把其他用户的用户名和密码从内存中读出来，这是非常不安全的。

因此操作系统就把内存划分了很多个区域，每个区域大小都是4K，这样的一个区域就被称为一个页，且每个页都有自己的访问权限及其他的信息。操作系统在初始化时会初时化一个GDT表格，用于记录每个页的所有信息，包括它的id，它的访问权限控制，它的超始地址等等。

GDT中为每一个页都定义了一个CPL和DPL数据，CPL就是这个页访问别的页时用的权限级别，而DPL是这个页被别的页访问时使用的权限级别。

如 当一个页A访问另一个页B时，操作系统会检查，要求 A的CPL <= B的DPL，注意是 <=，因为CPL/DPL的值越小，说明权限级别最高。linux一共定义了四种权限级别：

其中0是系统内核的DPL/CPL，这是最高权限级别，而用户程序DPL/CPL都是3，所以用户程序是无法随意访问内存数据的。

操作系统就是使用这样的方式保存内存数据的安全的。但是有一个问题是，如果用户就是需要访问内核中的数据怎么办？例如在linux中有一个用户级命令whoami，会返回当前用户的用户名，而这个用户名是放在内核中的。

whoami这个用户程序在执行时，它的代码段的DPL和CPL肯定都是3（因为是用户程序），而用户名这个数据所在的内存段的CPL/DPL都是0，需要如何才能访问到？

这时候就需要使用到系统调用：

操作系统提供了一个特殊的内核级程序system_all，在初始化时，把这个system_all加载到了内存中，并且把这个system_all所在的内存段的CPL置为0，而DPL置为3。

这样一来，由于 用户程序的CPL和system_all的DPL都为3，满足 CPL <= DPL的要求，所有用户程序可以访问system_all。

而在system_all中，它的CPL=0，因此它又可以随意访问内存中任何段的内容了。通过这种方式，用户程序就可以通过system_call来间接访问内核了。

二 系统调用的功能限制

通过上面的描述，我们知道了用户程序可以通过系统调用system_call来间接访问内核中的数据。

可能你会觉得，虽然用户程序访问内核很麻烦，但是毕竟已经能访问了，那么内核中的数据不是又不安全了吗？其实不是的。

关键在于用户程序不可以随意访问，因为系统调用程序system_call是操作系统内核提供的，这个程序只提供了一组功能可供用户程序使用，而那些system_call没有提供的功能，那用户程序就无法使用了。

三 系统调用号

系统调用system_call提供了很多可供使用的功能，如读取IO，写IO，向屏幕打印字符串，创建新的进程等，用户程序如何指定要调用哪个功能呢？

在用户程序调用system_call时，需要传递一个系统调用号，来标记需要调用的是哪个功能。

而在操作系统初始化时，会初始化一张_system_call_table系统调用表，用于记录每个调用号对应的功能信息。具体来说，它记录了每个系统调用号对应的程序所在的代码段的GDT id。

当我们调用系统调用时，system_call会先从_system_call_table中找到对应程序所在的代码段的GDT id，然后去GDT表中找到该段的信息。其中就包括段的超始位置，然后再跳转到该地址执行即可。

四 用户程序调用系统调用的方式

那么用户程序如何调用系统调用呢？直接在代码中写一个_system_call();吗？并不是这样的。用户程序调用系统调用的唯一方法是使用0x80号中断。

至于为什么嘛，linux就是这样实现的，我也不太明白为什么一定要这样实现。

在操作系统初始化时会初化IDT表，这个IDT表就是中断向量表。并且把0x80号中断对应的程序地址初始化成了system_all的地址。当用户调用0x80号中断时，自然就执行到了system_all。

而这个时候，由于调用为断的方式是int 0x80在指令中并没有位置给我们传递参数，所以需要我们把参数先行存放到寄存器中。例如系统调用号就需要先存放在eax中。如果还需要其他参数，例如要读取磁盘某个扇区的内容，当然还需要传递扇区号，这时就可以把参数存放到ebx， ecx...等寄存器中。

不论是执行int 0x80还是修改寄存器中的内容， 都需要使用内嵌汇编代码， 比较麻烦， 所以c语言中就给我们封装好了。例如C语言中提供了一个fork()函数，当我们调用这个函数时，它的内部其实就是帮我们内嵌了一段汇编代码：

mov eax, xxxx ;xxxx就是fork对应的系统调用号
int 0x80

然后执行这段汇编代码。

五 系统调用的整体流程

以fork函数为例，总结一下系统调用的整体流程：

• 步骤一：在C语言中调用fork函数，fork函数中内嵌了一段汇编代码，调用了0x80号中断
• CPU去IDT表格中查找0x80号中断对应程序的指令位置，也就是得到了系统调用程序所在的代码段
• CPU检查当前代码段的CPL和系统调用函数的DPL，由于当前代码段CPL=3且在系统调用函数所有代码段的DPL也特意被设置为了3，所以可以调用。
• 在系统调用函数system_call中，先从eax寄存器中获取到了系统调用号，然后去_system_call_table中查到该调用号对应程序的指令位置。同样的这里获取到的也是一个代码段。
• CPU再检查CPL和DPL，由于system_call所在段的CPL为0，所以肯定可以访问。
• CPU跳转到具体的系统调用程序中执行，整个系统调用就算完成了