1、系统调用基本概念
系统调用：内核中所有已实现和可用系统调用的集合。Linux中四种类型的接口：
- 应用编程接口（API）
- 应用二进制接口（ABI）
- 内核内部的 API
- 内核内部的ABI
LSB标准：为了促进Linux不同发行版本间的兼容性，LSB开发了一系列标准，使得各种软件可以很好的在兼容 LSB 标准的系统上运行。
Linux API ：是 Linux 内核和用户空间的 API，使用户程序能够通过这个借口访问系统资源和内核提供的服务。Linux API 由两部分组成：Linux 内核的系统调用接口和 GNU C 库（glibc）中的例程。内核 API 主要是标记为 “EXPORT_SYMBOL” 的函数。
GNU C 库：Linux 内核系统调用接口的封装，其中包括 POSIX 兼容应用函数调用和 Linux 专用的函数调用。
POSIX：表示可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface of UNIX，缩写为 POSIX ），POSIX标准定义了操作系统应该为应用程序提供的接口标准，是IEEE为要在各种UNIX操作系统上运行的软件而定义的一系列API标准的总称，其正式称呼为IEEE 1003。
Linux ABI：一系列约定的集合，它和具体的 CPU 架构和 OS 相关，只要 OS 遵守相同的 ABI 规范，那么不同的应用就可以实现向前兼容。ABI 包含以下内容：
- 一个特定的处理器集合
- 函数调用惯例
- 系统调用方式
- 可执行文件的格式（ELF 、PE等）
系统调用号：用来唯一的标识每个系统调用。
系统调用表：把系统调用号和相应的服务例程关联起来。
从用户态跟踪一个系统调用到内核：
- 从用户程序中调用fork；
- 在libc库中把fork对应的系统调用号2放入寄存器eax；
- 通过int 0x80陷入内核；
- 在中断描述表IDT中查到系统调用的入口0x80；
- 进入Linux内核的entry_32(64).S文件，从系统调用表sys_call_table中找到sys_fork的入口地址；
- 执行fork.c中的do_fork代码；
- 通过iret或者sysiret返回。
跟踪 cp 所调用的系统调用可以使用如下命令：
strace cp
2、系统调用机制
在用户空间和内核空间之间，有一个叫做Syscall(系统调用, system call)的中间层，是连接用户态和内核态的桥梁。这样即提高了内核的安全型，也便于移植，只需实现同一套接口即可。Linux系统，用户空间通过向内核空间发出Syscall，产生软中断，从而让程序陷入内核态，执行相应的操作。
安全性与稳定性：内核驻留在受保护的地址空间，用户空间程序无法直接执行内核代码，也无法访问内核数据，通过系统调用机制可以增强系统的安全性和稳定性。
性能：Linux上下文切换时间很短，系统调用处理过程非常精简，性能上往往比很多其他操作系统执行要好。
为了让读者清晰明了的理解系统调用的过程，下面以 read 系统调用为例来说明：
当 read() 调用发生时，库函数在保存 read 系统调用号以及参数后，陷入 0x80 中断，执行 0x80 中断处理程序，0x80 中断处理程序接管执行后，先检察其系统调用号，然后根据系统调用号查找系统调用表，并从系统调用表中得到处理 read 系统调用的内核函数 sys_read ，最后传递参数并运行 sys_read 函数。
read 系统调用在内核中所要经历的层次模型：
对于磁盘的一次读请求，首先经过虚拟文件系统层（vfs layer），其次是具体的文件系统层（例如 ext2），接下来是 cache 层（page cache 层）、通用块层（generic block layer）、IO 调度层（I/O scheduler layer）、块设备驱动层（block device driver layer），最后是物理块设备层（block device layer）。
各层的作用：
| 模型所在层 | 作用 |
|---|---|
| 虚拟文件系统层 | 屏蔽下层具体文件系统操作的差异，为上层的操作提供一个统一的接口。正是因为有了这个层次，所以可以把设备抽象成文件，使得操作设备就像操作文件一样简单。 |
| 具体的文件系统层 | 不同的文件系统（例如 ext2 和 NTFS）具体的操作过程也不同，每种文件系统定义了自己的操作集合。 |
| cache 层 | 为了提高 linux 操作系统对磁盘访问的性能。 Cache 层在内存中缓存了磁盘上的部分数据。当发生数据请求时，如果在 cache 中存在该数据且是最新的，则直接将数据传递给用户程序，免除了对底层磁盘的操作，提高了性能。 |
| 通用块层 | 接收上层发出的磁盘请求，并最终发出 IO 请求。该层隐藏了底层硬件块设备的特性，为块设备提供了一个通用的抽象视图。 |
| IO 调度层 | 接收通用块层发出的 IO 请求，缓存请求并试图合并相邻的请求（如果这两个请求的数据在磁盘上是相邻的），并根据设置好的调度算法，回调驱动层提供的请求处理函数，以处理具体的 IO 请求。 |
| 块设备驱动层 | 驱动层中的驱动程序对应具体的物理块设备。它从上层中取出 IO 请求，并根据该 IO 请求中指定的信息，通过向具体块设备的设备控制器发送命令的方式，来操纵设备传输数据。 |
| 物理块设备层 | 设备层中都是具体的物理设备。定义了操作具体设备的规范。 |
相关的内核数据结构：
| 数据结构 | 作用 |
|---|---|
| dentry | 联系了文件名和文件的 inode 节点 |
| inode | 文件 inode 节点，保存文件标识、权限和内容等信息 |
| file | 保存文件的相关信息和各种操作文件的函数指针集合 |
| file_operations | 操作文件的函数接口集合 |
| address_space | 描述文件的 page cache 结构以及相关信息，并包含有操作 page cache 的函数指针集合 |
| address_space_operations | 操作 page cache 的函数接口集合 |
| bio | IO 请求的描述 |
数据结构之间的关系：
dentry 对象可以找到 inode 对象， inode 对象中可以找到 address_space 对象， address_space 对象可以找到 address_space_operations 对象。
File 对象可以根据当前进程描述符中提供的信息获得，进而可以找到 dentry 对象、 address_space 对象和 file_operations 对象。
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