一.操作系统接口
1.什么是接口？
Interface：electrical circuit linking one device with another and enabling data coded in one format to be transmitter in another(出自牛津辞典)
从操作系统的角度来说，就是上层应用通过接口，进入系统，从而获得硬件支持。这其中内部的过程普通用户无需了解。更细致地来说就是普通的C代码再加上重要的函数构成了应用程序，而这些重要的函数构成了操作系统的接口，由于又是被系统提供，所以又称系统调用。
2.用户使用计算机的方式
1).命令行
命令其实就是一段用C语言写的程序，比如下面是用C语言写的一个简单的程序
#include <stdio.h>
int main(int argc, char * argv[])
{
printf("ECHO:%s\n",argv[1]);
}
经过编译之后：gcc -o output output.c
可以在命令行键入该命令：./output "hello"
就会得到下面的输出
其中output作为一个可执行文件，其中的"hello"作为一个shell，shell也是一个程序：/bin/sh
// shell程序的主体代码
int main(int argc, char * argv[])
{
char cmd[20];
while(1) // 死循环
{
scanf("%s",cmd);
if(!fork())
{
exec(cmd);
}
else
{
wait();
}
}
2).图形按钮
图形按钮基于一套消息机制：通过对硬件消息输入消息的获取，经过消息循环机制，最终通过绘图功能表现。
具体流程以鼠标点击为例：当鼠标点击后，通过中断将消息放置系统内部的消息队列，应用程序需要有一个消息循环模块，不停地将内核里的消息提取出来，每提取出一个消息，执行对应的函数及功能。
3).应用程序
系统调用在POSIX中已经规定(IEEE制定的一个标准族)，具体可以参考该项约定。
3.系统调用的实现
1).内核态和用户态：简单来说就是CPU划分出的两个特权级，由处理器的"硬件设计"支持,其中内核态可以访问任何数据，用户态不能访问内核数据，这里，用CS的最低两位来表示：0是内核态，3是用户态（数字越大，表示特权越低）
内核段和用户段：对应的内存区域，通过段寄存器：
DPL：描述目标段的特权级
CPL：当前特权级
用一个例子来具体的说明：
一个简单的直观想法就是，处于上层的应用不能随意地访问内核数据和代码段，否则会带来很大的安全隐患，比如存储在内核中密码等数据的泄露。
蓝色部分是特权级为3的代码段，相应的红色部分是特权级为0的内核段，假设蓝色部分可以直接访问红色部分，因为当前的 CPL = 3，DPL = 0，不满足DPL >= CPL 因此该项假设并不成立。由此我们可以得出一个结论就是，处于用户态的代码段只能直接访问同为用户态的代码段，不能直接访问处于内核态的代码段和数据。
2).硬件提供"主动进入内核的方法"
对于intel x86，利用中断指令int(这里我们一般指的是 int 0x80)进入内核，这也是用户程序发起的调用内核代码的唯一方式。对于一个完整的系统调用，核心流程分为以下三个部分：
- 用户程序中包含一段又int指令的代码
- 操作系统写中断处理，获取像调程序的编号
- 操作系统根据编号执行相应代码
以一段简单的代码实现为例：
以上述为例：首先，由C语言库函数将格式化输出采用C语言处理方式转化成如下代码段
// linux/lib/write.c #include <unistd.h> _syscall3(int, write, int, fd, const char *buf, size_t, count)
之后需要将上述代码转化成带有 int 0x80 中断的代码段
// linux/include/unistd.h
// 此处代码对应带有三个参数的调用
#define _syscall3(type, name, atype, a, btype, b, ctype, c)\
type name(atype a, btype b, ctype c) \ // 此例中该处对应 int write(int fd,const char *buff, size_t count)
{
long __res;\
// 下述代码将系统调用号置给%eax中,各参数分别置给相应寄存器,通过调用int 0x80 得到返回值存放在%eax,最终返回给%res
__asm__volatile("int 0x80":"=a"(__res):""(__NR_##name), // %eax存放返回值,置给%res 同时将__NR_write置给%eax
"b"((long)(a)),"c"((long)(b)),"d"((long)(c)))); // 将fd置给%ebx,buff置给%ecx,count置给%edx
if(__res >= 0) return
(type)__res;error =-__res;
return -1;
}
// 这里__NR_write是系统调用号，放在eax中
#define __NR_write 4
最终这个中断代码再通过系统调用，开始进入到内核中
3).int 0x80中断处理
现在我们大致能了解到，用户程序要进入内核，关键点就在于 int 0x80中断处理
上层命令想进入内核，就需要依赖int 0x80中断，这就好比进入操作系统内部的桥梁，而系统调用号指明了进入内核后执行的步骤，待一切进行完成后，最后返回。所以这就需要进一步了解0x80中断
void sched_init(void)
{
set_system_gate(0x80, &system_call);
}
// linux/include/asm/system.h
#define set_system_gate(n, addr) \ // n:中断处理号(0x80)， addr:中断处理地址(&system_call)
_set_gate(&idt[n],15,3,addr); // 寻找80对应的表项,dpl = 3
// 下述代码主要初始化idt表
#define _set_gate(gate_addr, type, dpl, addr)\
__asm__("movw %%dx,%%ax\n\t" "movw %0,%%dx\n\t"\
"movl %%eax,%1\n\t" "movl %%edx,%2":\
:"i"((short)(0x8000+(dpl<<13)+type<<8))),"o"(*(( \
char*)(gate_addr))),"o"(*(4+(char*)(gate_addr))),\
"d"((char*)(addr),"a"(0x00080000))
由上述代码，0x80中断的本质作用其实是根据idt表查询找到中断需要转去的地址，然后跳转到该地址处执行，下图是idt表的格式：
其中将addr组装再处理函数入口点偏移，将DPL置为3，将0x00080000中的高四位组装到段选择符，因此现在新的PC被设为，cs=8，ip = addr，值得一提的是，GDT表DPL段为3，允许处于用户态的代码进行访问
此时因为cs的末两位为0，所以CPL = 0，因此可以访问内核代码和数据。
4).中断处理程序:system_call
成功进入内核后，通过中断处理程序，执行相应的功能
// linux/kernel/system_call.s
nr_system_calls=72
.globl _system_call
_system_call: cmpl $nr_system_calls-1,%eax
ja bad_sys_call
push %ds
push %es push %fs pushl %edx pushl %ecx pushl %ebx // 调用的参数
movl $0x10,%edx mov %dx,%ds mov %dx,%es // 内核数据
movl $0x17,%edx mov %dx,%fs // fs可以找到用户数据
call _sys_call_table(,%eax,4) // a(,%eax,4)=a+4*eax,跳至该处地址的表执行
pushl %eax //返回值压栈，留着ret_from_sys_call时用 ... // 其他代码
ret_from_sys_call: popl %eax, 其他pop, iret
// _sys_call_table + 4*%eax就是相应系统调用处理函数入口,每个系统调用占4各字节(即函数指针)
// 对应函数表如下代码(存放在include/linux/sys.h)
fn_ptr sys_call_table[] =
{ sys_setup, sys_exit,sys_fork, sys_read, sys_write,...}; // 偏移为4(从0开始)
// include/linux/sched.h
typedef int (fn_ptr*)(); // fn_ptr为函数指针
5).调用sys_write代码
此处涉及到操作系统的文件管理，暂时略去
6).总结
用户调用的printf首先通过C库函数转化成带有int 0x80段的代码，int 0x80段代码在系统初始化的时候做成了一个system_call。在用户调用printf时CPL=3，而int 0x80的DPL = 3。一旦进入内核态，CPL=0。再调用system_call中断处理，该中断处理又会根据传递进来的__NR_write=4去查sys_call_table表，最终调用sys_write。