系统调用是否直接发送到内核？答案

【问题标题】：Are system calls directly send to the kernel?系统调用是否直接发送到内核？
【发布时间】：2018-02-13 12:37:59
【问题描述】：

我有几个假设，很可能其中一些是不正确的。请纠正我哪里错了。

我们可以对用 C 编写的程序中的函数进行如下分类：

发送到动态加载的库的函数：

这些被发送到将它们转换为多个标准 C 函数的库
库将它们传递给 libc，在那里它们被转换为多个系统调用。
Libc 将这些传递到内核并在其中执行它们，并将返回值发送回 libc。
Libc 将收集返回值，将它们按 c 函数分组，并使用它们为每个 c 函数创建 1 个返回值。这些返回将被发送回动态加载的库。
此库将收集所有退货并使用它们创建 1 个退货，然后将其发送回原始程序。

在代码中或静态编译库的一部分中定义的函数：一切都与上述类别相同，但：

他们的程序已经将它们转换为已知的标准 C 函数，或者在另一种情况下转换为调用动态加载的库的函数。
标准 c 函数被发送到 libc，其他函数被发送到动态加载的库（它们将按上述方式处理）。
程序将根据两种函数的返回创建 1 个最终返回

作为标准 C 函数的函数：它们只会被发送到 libc，libc 将以与上述相同的方式与内核通信，并且将向程序发送 1 个返回
作为系统调用的函数：它们不会直接发送到内核，而是必须传递给 libc，尽管它不会做任何额外的工作。

安全检查（权限、写入未分配的内存，...）总是由内核完成，尽管 libc 和上面的库也可能首先检查它。

所有符合 POSIX 的系统都遵循这些规则

【问题讨论】：

有两个关键区别：（1）用户模式和内核模式之间是否存在转换（在我看来，系统调用的关键定义）和（2）是否不是被调用函数位于动态链接（共享）或静态链接库中。几乎所有其他事情都由此而来。也许还有一个区别（3）被调用的函数是“程序的一部分”还是“其他人的库”。也许还有一个区别（4）是否涉及vDSO。
作为系统调用的函数 这在术语上是矛盾的。函数就是函数，系统调用就是系统调用。一些函数比其他函数更接近于系统调用 - 由于更改了*at() 接口，例如openat()，它可能没有你想象的那么接近。我不确定为什么在 C 中“函数”和“系统调用”之间存在这种区别。如果您正在编写 C，那么您正在使用函数。您几乎需要直接汇编程序来执行实际的系统调用。
这是对事物进行分类的一个很好的尝试……但这是一个糟糕的问题。它从“不清楚你在问什么”（帖子中没有?）到“太宽泛”（Please correct me where they are wrong. 用于许多陈述）不等。您在标题中有一个确切的问题 - 发布问题是为了详细说明该问题，而不是介绍许多其他内容。

标签： c linux linux-kernel posix libc

【解决方案1】：

在 Linux 和其他一些 POSIX 系统（如 FreeBSD）上可能不一样。

在 Linux 上，ABI 定义了如何完成系统调用。阅读Linux kernel interfaces。系统调用在syscalls(2) 中列出（但另请参阅/usr/include/asm*/unistd.h ...）。另请阅读vdso(7)。 assembler HowTo 解释了更多细节，但仅适用于 32 位 i686。

大多数Linux libc 都是免费软件，您可以研究它们的源代码。恕我直言musl-libc的源代码可读性很强。

为了简化一点，大多数系统调用（例如write(2)）都是libc 中的小型 C 函数，其中：

使用 SYSENTER 机器指令调用内核（并注意按照内核约定传递系统调用号及其参数，这不是通常的 C ABI）。内核认为系统调用只是该机器指令（以及关于它的约定）。
处理失败情况，将其传递给errno(3) 并返回-1。
^{（IIRC，失败时，进位或溢出标志位在内核从SYSENTER返回；但我可能在细节上错了）}
通过返回结果来处理成功案例。

您可以在没有libc 的情况下使用一些汇编代码来调用系统调用。这是不寻常的，但已经完成（例如在BusyBox 或Bones 中）。

所以write 的libc 代码正在做一些微小的额外工作（传递参数、处理失败和errno 和成功案例）。

由于vDSO，一些系统调用（可能是getpid 和clock_gettime）避免了SYSENTER 机器指令（和用户模式-> 内核模式切换）的开销。

【讨论】：

【解决方案2】：

不，你不能对这样的事情进行分类。当你用 C 编程时（但这在几乎所有其他语言中都没有区别），只有函数并且无论它们的真实状态是什么，你都以完全相同的方式调用它们。这由 ABI 定义（如何传递参数、获取返回值等）并由编译器/链接器强制执行。当然，有些函数只是存根。例如共享库函数的存根（存根可能需要加载库、动态链接到真实函数等）或系统调用（这更具技术性，并且因内核而异）。但是从你的程序的角度来看，一切都是一样的（这就是为什么一开始很难理解fread和read之间的区别：你用同样的方式称呼它们，它们几乎做同样的工作，有什么区别?)。

POSIX 对内核只字未提...它只是列出了一组具有最少语义的函数（加上一些命令、工具等）的 C（以及以前的 ADA）API。这些实现完全免费。

【讨论】：