Linux系统调用
前言
本文主要介绍Linux系统调用的原理，以及对strace命令进行简要介绍。
系统调用概述
计算机系统的各种硬件资源是有限的，在现代多任务操作系统上同时运行的多个进程都需要访问这些资源，为了更好的管理这些资源进程是不允许直接操作的，所有对这些资源的访问都必须有操作系统控制。也就是说操作系统是使用这些资源的唯一入口，而这个入口就是操作系统提供的系统调用（System Call）。在Linux中系统调用是用户空间访问内核的唯一手段，除异常和陷入外，他们是内核唯一的合法入口。
一般情况下应用程序通过应用编程接口API，而不是直接通过系统调用来编程。在Unix世界，最流行的API是基于POSIX标准的。
Linux的系统调用和大多数Unix系统一样，作为C库的一部分提供，C库实现了Unix的主要API，包括标准C库函数和系统调用接口。
系统调用的过程
内核中的实现
我们通常通过C库中定义的函数调用来进行系统调用，例如我们要返回当前进程的PID，可以调用getpid()函数，内核中他的实现非常简单：
SYSCALL_DEFINE0(getpid)
{
return task_tgid_vnr(current);
}
SYSCALL_DEFINE0是一个宏，它定义了系统调用，最后的0代表他没有参数，展开后的代码如下：
asmlinkage long sys_getpid(void)
asmlinkage是一个编译指令，表示用0个寄存器传递函数参数，这样，所有的函数参数强迫从栈中提取。系统调用需要在entry.s文件中用汇编语言调用，所以必须要保证它符合C语言的参数传递规则，才能用汇编语言正确调用它。
类似的、所有的内核中的响应函数名都是以sys_开头，后面接该系统调用的名字。
系统调用号
用户空间的程序无法直接执行内核代码。它们不能直接调用内核空间中的函数，因为内核驻留在受保护的地址空间上。如果进程可以直接在内核的地址空间上读写的话，系统安全就会失去控制。所以，应用程序应该以某种方式通知系统，告诉内核自己需要执行一个系统调用，希望系统切换到内核态，这样内核就可以代表应用程序来执行该系统调用了。
Linux中每个系统调用都有相应的系统调用号作为唯一的标识，内核维护一张系统调用表sys_call_table，表中的元素是系统调用函数的起始地址，而系统调用号就是系统调用在调用表的偏移量。
Linux系统有几百个系统调用，为了唯一的标识每一个系统调用，Linux为每一个系统调用定义了一个唯一的编号，这个编号就是系统调用号。
下图是我电脑的系统调用号，在/usr/src/kernels/4.18.0-305.19.1.el8_4.x86_64/arch/x86/include/generated/uapi/asm/unistd_32.h
内核记录了所有已注册过系统调用的列表，即系统调用表，存放在sys_call_table中。
假设用name表示系统调用的名称，那么系统调用号与系统调用响应函数的关系是：以系统调用号_NR_name作为下标，可找出系统调用表sys_call_table(见arch/i386/kernel/entry.S)中对应表项的内容，它正好是该系统调用的响应函数sys_name的入口地址。
系统调用号相当关键，一旦分配就不能再有任何变更，否则编译好的应用程序就会崩溃。Linux有一个“未实现”系统调用sys_ni_syscall()，它除了返回一ENOSYS外不做任何其他工作，这个错误号就是专门针对无效的系统调用而设的。
系统调用处理程序
应用程序应该以某种方式通知系统，告诉内核自己需要执行一个系统调用，希望系统切换到内核态，这样内核就可以代表应用程序在内核空间执行系统调用。 通知内核的机制是靠软中断实现的：通过引发一个异常来促使系统切换到内核态去执行异常处理程序。此时的异常处理程序实际上就是系统调用处理程序。这个处理程序名字叫**system_call()。**
所有的系统调用陷入内核的方式都一样，所以仅仅是陷入内核空间是不够的。因此必须把系统调用号一并传给内核。在x86上，系统调用号是通过eax寄存器传递给内核的。在陷人内核之前，用户空间就把相应系统调用所对应的号放入eax中了。这样系统调用处理程序一旦运行，就可以从eax中得到数据。其他体系结构上的实现也都类似。
参数传递
在执行系统调用处理程序时，需要传入系统调用的参数，传递方式和传递系统调用号一样，参数也存放在寄存器里。在x86-32系统上，ebx、ecx、edx、esi和edi按照顺序存放前五个参数。需要六个或六个以上参数的情况不多见，此时，应该用一个单独的寄存器存放指向所有这些参数在用户空间地址的指针。
给用户空间的返回值也通过寄存器传递。在x86系统上，它存放在eax寄存器中。
值得注意的是系统调用必须仔细检查它们所有的参数是否合法有效。系统调用在内核空间执行，如果任由用户将不合法的输入传递给内核，那么系统的安全和稳定将面临极大的考验。
举例来说，与文件IO相关的系统调用必须检查文件描述符是否有效。与进程相关的函数必须检查提供的PID是否有效。必须检查每个参数，保证它们不但合法有效，而且正确。进程不应当让内核去访问那些它无权访问的资源。
最重要的一种检查就是检查用户提供的指针是否有效。试想，如果一个进程可以给内核传递指针而又无须检查，那么它就可以给出一个它根本就没有访问权限的指针，哄骗内核去为它拷贝本不允许它访问的数据，如原本属于其他进程的数据或者不可读的映射数据。在接收一个用户空间的指针之前，内核必须保证:
- 指针指向的内存区域属于用户空间。进程决不能哄骗内核去读内核空间的数据。
- 指针指向的内存区域在进程的地址空间里。进程决不能哄骗内核去读其他进程的数据。
- 如果是读，该内存应被标记为可读。如果是写，该内存应被标记为可写，如果是可执行，该内存被标记为可执行。进程决不能绕过内存访问限制。
访问系统调用
通常情况下，用户程序可以通过包含标准C头文件和C库链接就可以使用系统调用。
除此之外，Linux本身提供了一组宏，用于直接对系统调用进行访问。它会设置好寄存器并调用陷入指令。这些宏是_syscalln()，其中n的范围从0到6，代表需要传递给系统调用的参数个数，这是由于该宏必须了解到底有多少参数按照什么次序压入寄存器。比如，open()系统调用的定义是:
long open( const char * pathname,int flags, mode_t mode);
调用此系统调用的宏的形式为：
_sysca113 (long,open，const char*,filename，int，flags，int,mode)
对于每个宏来说，都有2+2×n个参数。第一个参数对应着系统调用的返回值类型。第二个参数是系统调用的名称。再以后是按照系统调用参数的顺序排列的每个参数的类型和名称。该宏会被扩展成为内嵌汇编的C函数﹔由汇编语言执行前面内容中所讨论的步骤，将系统调用号和参数压入寄存器并触发软中断来陷入内核。调用open()系统调用直接把上面的宏放置在应用程序中就可以了。
strace
strace命令可以跟踪到一个进程产生的系统调用，包括参数，返回值，执行消耗的时间。
-c 统计每一系统调用的所执行的时间,次数和出错的次数等.
-d 输出strace关于标准错误的调试信息.
-f 跟踪由fork调用所产生的子进程.
-ff 如果提供-o filename,则所有进程的跟踪结果输出到相应的filename.pid中,pid是各进程的进程号.
-F 尝试跟踪vfork调用.在-f时,vfork不被跟踪.
-h 输出简要的帮助信息.
-i 输出系统调用的入口指针.
-q 禁止输出关于脱离的消息.
-r 打印出相对时间关于,,每一个系统调用.
-t 在输出中的每一行前加上时间信息.
-tt 在输出中的每一行前加上时间信息,微秒级.
-ttt 微秒级输出,以秒了表示时间.
-T 显示每一调用所耗的时间.
-v 输出所有的系统调用.一些调用关于环境变量,状态,输入输出等调用由于使用频繁,默认不输出.
-V 输出strace的版本信息.
-x 以十六进制形式输出非标准字符串
-xx 所有字符串以十六进制形式输出.
-a column
设置返回值的输出位置.默认 为40.
-e expr
指定一个表达式,用来控制如何跟踪.格式如下:
[qualifier=][!]value1[,value2]...
qualifier只能是 trace,abbrev,verbose,raw,signal,read,write其中之一.value是用来限定的符号或数字.默认的 qualifier是 trace.感叹号是否定符号.例如:
-eopen等价于 -e trace=open,表示只跟踪open调用.而-etrace!=open表示跟踪除了open以外的其他调用.有两个特殊的符号 all 和 none.
注意有些shell使用!来执行历史记录里的命令,所以要使用\\.
-e trace=set
只跟踪指定的系统 调用.例如:-e trace=open,close,rean,write表示只跟踪这四个系统调用.默认的为set=all.
-e trace=file
只跟踪有关文件操作的系统调用.
-e trace=process
只跟踪有关进程控制的系统调用.
-e trace=network
跟踪与网络有关的所有系统调用.
-e strace=signal
跟踪所有与系统信号有关的 系统调用
-e trace=ipc
跟踪所有与进程通讯有关的系统调用
-e abbrev=set
设定 strace输出的系统调用的结果集.-v 等与 abbrev=none.默认为abbrev=all.
-e raw=set
将指 定的系统调用的参数以十六进制显示.
-e signal=set
指定跟踪的系统信号.默认为all.如 signal=!SIGIO(或者signal=!io),表示不跟踪SIGIO信号.
-e read=set
输出从指定文件中读出 的数据.例如:
-e read=3,5
-e write=set
输出写入到指定文件中的数据.
-o filename
将strace的输出写入文件filename
-p pid
跟踪指定的进程pid.
-s strsize
指定输出的字符串的最大长度.默认为32.文件名一直全部输出.
-u username
以username 的UID和GID执行被跟踪的命令
例如：
strace -o output.txt -T -tt -e trace=all -p 608
上面的含义是 跟踪28979进程的所有系统调用（-e trace=all），并统计系统调用的花费时间，以及开始时间（并以可视化的时分秒格式显示），最后将记录结果存在output.txt文件里面。
结果如下：
11:03:00.741734 gettid() = 608 <0.000022>
11:03:00.741834 epoll_wait(12, <detached ...>
结语
转码学习中，感谢阅读，敬请批评指正！
参考资料
《Linux内核设计与实现》原书第三版