系統呼叫，讓世界轉起來！ | Linux 中國

pid.c download[4]

在 Linux 中，一個行程並不是一齣生就知道它的 PID。要想知道它的 PID，它必須去詢問核心，因此，這個詢問請求也是一個系統呼叫：

它的第一步是開始於呼叫 C 庫的 getpid()[5]，它是系統呼叫的一個封裝。當你呼叫一些函式時，比如，open(2)、read(2) 之類，你是在呼叫這些封裝。其實，對於大多數程式語言在這一塊的原生方法，最終都是在 libc 中完成的。

封裝為這些基本的作業系統 API 提供了方便，這樣可以保持內核的簡潔。所有的核心程式碼執行在特權樣式下，有 bug 的核心程式碼行將會產生致命的後果。能在使用者樣式下做的任何事情都應該在使用者樣式中完成。由庫來提供友好的方法和想要的引數處理，像 printf(3) 這樣。

我們拿一個 web API 進行比較，內核的封裝方式可以類比為構建一個盡可能簡單的 HTTP 介面去提供服務，然後提供特定語言的庫及輔助方法。或者也可能有一些快取，這就是 libc 的 getpid() 所做的：首次呼叫時，它真實地去執行了一個系統呼叫，然後，它快取了 PID，這樣就可以避免後續呼叫時的系統呼叫開銷。

一旦封裝完成，它做的第一件事就是進入了核心超空間hyperspace。這種轉換機制因處理器架構設計不同而不同。在 Intel 處理器中，引數和 系統呼叫號[6] 是 載入到暫存器中的[7]，然後，執行一個 指令[8] 將 CPU 置於 特權樣式[9] 中，並立即將控制權轉移到核心中的全域性系統呼叫 入口[10]。如果你對這些細節感興趣，David Drysdale 在 LWN 上有兩篇非常好的文章（其一[11]，其二[12]）。

核心然後使用這個系統呼叫號作為進入 sys_call_table[13] 的一個 索引[14]，它是一個函式指標到每個系統呼叫實現的陣列。在這裡，呼叫了 sys_getpid[15]：

在 Linux 中，系統呼叫大多數都實現為架構無關的 C 函式，有時候這樣做 很瑣碎[16]，但是透過核心優秀的設計，系統呼叫機制被嚴格隔離。它們是工作在一般資料結構中的普通程式碼。嗯，除了完全偏執的引數校驗以外。

一旦它們的工作完成，它們就會正常傳回，然後，架構特定的程式碼會接手轉回到使用者樣式，封裝將在那裡繼續做一些後續處理工作。在我們的例子中，getpid(2)[3] 現在快取了由核心傳回的 PID。如果核心傳回了一個錯誤，另外的封裝可以去設定全域性 errno 變數。這些細節可以讓你知道 GNU 是怎麼處理的。

如果你想要原生的呼叫，glibc 提供了 syscall(2)[17] 函式，它可以不透過封裝來產生一個系統呼叫。你也可以透過它來做一個你自己的封裝。這對一個 C 庫來說，既不神奇，也不特殊。

這種系統呼叫的設計影響是很深遠的。我們從一個非常有用的 strace(1)[18] 開始，這個工具可以用來監視 Linux 行程的系統呼叫（在 Mac 上，參見 dtruss(1m)[19] 和神奇的 dtrace[20]；在 Windows 中，參見 sysinternals[21]）。這是對 pid 程式的跟蹤：

~/code/x86-os$ strace ./pid
execve("./pid", ["./pid"], [/* 20 vars */]) = 0
brk(0)                                  = 0x9aa0000
access("/etc/ld.so.nohwcap", F_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
mmap2(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7767000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=18056, ...}) = 0
mmap2(NULL, 18056, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0xb7762000
close(3)                                = 0
[...snip...]
getpid()                                = 14678
fstat64(1, {st_mode=S_IFCHR|0600, st_rdev=makedev(136, 1), ...}) = 0
mmap2(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7766000
write(1, "14678\n", 614678
)                  = 6
exit_group(6)                           = ?

~/code/x86-os$ ps ax | grep sshd
12218 ?        Ss     0:00 /usr/sbin/sshd -D
~/code/x86-os$ sudo strace -p 12218
Process 12218 attached - interrupt to quit
select(7, [3 4], NULL, NULL, NULL
[
  ... nothing happens ...
  No fun, it's just waiting for a connection using select(2)
  If we wait long enough, we might see new keys being generated and so on, but
  let's attach again, tell strace to follow forks (-f), and connect via SSH
]
~/code/x86-os$ sudo strace -p 12218 -f
[lots of calls happen during an SSH login, only a few shown]
[pid 14692] read(3, "-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----\n"..., 1024) = 1024
[pid 14692] open("/usr/share/ssh/blacklist.RSA-2048", O_RDONLY|O_LARGEFILE) = -1 ENOENT (No such file or directory)
[pid 14692] open("/etc/ssh/blacklist.RSA-2048", O_RDONLY|O_LARGEFILE) = -1 ENOENT (No such file or directory)
[pid 14692] open("/etc/ssh/ssh_host_dsa_key", O_RDONLY|O_LARGEFILE) = 3
[pid 14692] open("/etc/protocols", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 4
[pid 14692] read(4, "# Internet (IP) protocols\n#\n# Up"..., 4096) = 2933
[pid 14692] open("/etc/hosts.allow", O_RDONLY) = 4
[pid 14692] open("/lib/i386-linux-gnu/libnss_dns.so.2", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 4
[pid 14692] stat64("/etc/pam.d", {st_mode=S_IFDIR|0755, st_size=4096, ...}) = 0
[pid 14692] open("/etc/pam.d/common-password", O_RDONLY|O_LARGEFILE) = 8
[pid 14692] open("/etc/pam.d/other", O_RDONLY|O_LARGEFILE) = 4

~/code/x86-os$ strace -T -e trace=recv curl -silent www.google.com. > /dev/null
recv(3, "HTTP/1.1 200 OK\r\nDate: Wed, 05 N"..., 16384, 0) = 4164 <0.000007>
recv(3, "fl a{color:#36c}a:visited{color:"..., 16384, 0) = 2776 <0.000005>
recv(3, "adient(top,#4d90fe,#4787ed);filt"..., 16384, 0) = 4164 <0.000007>
recv(3, "gbar.up.spd(b,d,1,!0);break;case"..., 16384, 0) = 2776 <0.000006>
recv(3, "$),a.i.G(!0)),window.gbar.up.sl("..., 16384, 0) = 1388 <0.000004>
recv(3, "margin:0;padding:5px 8px 0 6px;v"..., 16384, 0) = 1388 <0.000007>
recv(3, "){window.setTimeout(function(){v"..., 16384, 0) = 1484 <0.000006>