写在最前面：这一部分属于操作系统的第二部分，接着第一部分（操作系统的启动）介绍。

刚开始就提到，学习操作系统的步骤：从应用程序，穿透操作系统，实现硬件的功能。而这一节就是接收应用程序如何到达操作系统的。

应用程序要到达操作系统需要经过接口，而接口的介绍分为以下两个部分：接口的定义、接口的实现

操作系统接口

什么是接口

接口，顾名思义，就是连接两个东西的媒介。通过接口，实现这两个东西的信号转换，同时向上层屏蔽了底层的实现细节。

什么是操作系统接口

操作系统接口可以套用接口的定义，只不过对于所连接的两个东西有了具体而明确的定义：上层用户（应用系统）和操作系统（软件系统）。

上层用户通过接口对操作系统进行操作以实现对应的功能。那么用户是怎么使用操作系统的呢？

用户使用操作系统的三种情景

用户通过以下三种方式使用操作系统，或许还有许多更加复杂的场景，但是归根结底还是以下三种方式。

命令行

上图给出了用户使用命令行使用操作系统的示例：用户在命令行输入相应指令，而操作系统进行执行实现输出功能。

shell本身也是一段程序，并且是操作系统在完成初始化后调用执行的。其作用就是：建立一个死循环，接收指令并执行之。

图形界面

上图给出了用户使用图形界面使用操作系统的实例：一个输入文字并保存到txt文件的例子。

图形界面的使用要涉及到消息机制，即如上图所示，通过消息队列实现消息的获取，而后调用fopen函数实现写入。

什么是操作系统接口2

前面我们介绍说操作系统接口就是连接上层用户和操作系统的媒介，这是从整体功能上进行的定义。

通过上文介绍的三种情景，我们可以给出操作系统接口更加具体的定义：系统调用。

什么是系统调用？

答案很简单：就是一些定义好的具体的函数。

上图给出了一些常见的系统调用，更多请参考。

系统调用的实现

从一个直观想法出发

加入我们想要实现whoami的功能，一个比较直观的想法就是使用jmp跳转到指定位置执行指令，打印字符串即可。

但是这种操作是不可以的！

为什么不可以？

安全问题。如果一个用户态程序可以随意访问内核态区域，就可能会造成系统信息的泄露、破坏系统结构等。

如何保证不可以？

通过内核态和用户态来区分“门里”和“门外”

内核态和用户态

  • 内核态：操作系统代码执行时的状态
  • 用户态：应用程序代码执行时的状态

不论是内核态代码还是用户态代码都是载入内存中执行的，只是其存储的位置不同。我们将存储内核态代码的区域称为内核态区域，反之则为用户态区域。

而位于用户态区域的代码不能进去内核态区域，即无法jmp到内核代码，也无法通过mov获取内核态区域数据。

特权级与特权环

通过给定代码和区域的特权级别来判断是否可以执行对应指令。

先看下图：

  • CPL:当前特权级，用于表示当前执行指令的特权级
  • DPL:描述符特权级，用于表示目标区域的特权级

如何获取特权级？

  • CPL放置在CS寄存器中，使用最后两位二进制数来表示特权级。需要注意的是，这里的CS是指当前代码所处的CS.
  • DPL放置在GDT表中，通过段描述符获取目标区域的特权级（第2、3位二进制数表示）

当获取到CPL和DPL后，就可以比较其大小，当CPL>=DPL时可以执行当前代码。
通过特权级的方式即可实现操作系统核心代码的安全性：当GDT表初始化后，操作系统内核代码区域的DPL就被设置为0；而对于用户态代码，其CPL为3，DPL<CPL，所以保证用户无法直接访问内核代码。

如何实现可以？

既然用户态代码无法访问内核态区域，那么我们该如何操作以实现此操作呢？

通过中断！

操作系统给上层应用提供了int 0x80号中断，可以进入对应的中断处理程序，而这也是唯一的进入内核的方法。

前提准备

为了保证用户态代码可以正常执行中断指令，提供以下规范：

  1. 中断处理程序的目标区域的DPL被设置为3，这样就可以保证用户态也可以正常访问。

  2. 中断信息存储在IDT表中，下图给出了IDT表的结构与宏代码：

    而int 0x80中断的描述符设置代码：set_gate(&idt[80],15,3,&system_call)
    提供查看此代码可知：其DPL为3，所存储的偏移地址为system_call函数，段描述符为0x0008。

执行流程

  1. 用户使用0x80中断，通过查询IDT表获取中断代码。（CPL=DPL=3）
  2. IDT表中存储段描述符和段偏移符，即可确定CS：IP以定位中断函数位置。（因为CS为0x0008，所以此时CPL变为0即内核特权级）
  3. 根据CS:IP确定位置后即可执行system_call，进入内核，使用系统调用。

printf的完整故事

printf函数是一个常用的输出程序，但是其实现的流程绝对是一波三折，下面我们具体介绍。

库函数处理

第一个阶段会由库函数完成，主要实现以下功能：

  • 对格式化输出中的格式进行处理
  • 调用write系统调用在屏幕上输出

C函数库会将printf("hello world!");变成如下代码：

注：这个阶段只是系统调用前的准备工作，为真正的系统调用准备参数等、

系统调用

主要涉及到write函数的具体实现

将write宏展开为一段包含int 0x80的代码，具体如下：

注：正常用户态代码是无法使用系统调用的，只有使用中断（0x80)，利用宏展开的方式将C代码转换成了包含中断的代码。

中断执行

有了代码就要执行，不同的是这里要执行的是中断。

int 0x80的执行过程如下：

  1. 通过查找IDT表中的0x80表项，获取地址和特权级。
  2. 跳转到sys_call函数执行系统调用

上图给出了system_call函数的代码，这个函数一共做了下面几件事：

  1. 将DS、ES、FS寄存器中的值入栈以便于恢复，同时更新寄存器值为内核区域段选择子。（内核代码段0x08,内核数据段0x10）
  2. 跳转到sts_call_table中的第4个系统调用即sys_write.至于为什么会选择第4个系统调用，因为在实现printf的库函数中定义了# define __NR_write=4,所以在宏展开的汇编代码中指定eax=4，从而当做参数传递到sys_call_table.
  3. 在执行sys_write这个内核函数之前，需要告知其参数，这里使用内嵌汇编进行，将参数信息先保存在ebx\ecx\edx寄存器中，而后入栈即可。
  4. 在上图代码中有一个细节：%fs=0x17，这个属于段选择符，其后三位为111，即可说明其CPL为3，指向LDT表。（通过LDT表即可找到调用系统调用的用户态进程，进而完成数据交换以实现输出操作）

写在最后：这一节主要介绍了系统调用的原理与实现。

  • 系统调用就是接口，也是用户进入操作系统内核的唯一途径。
  • 系统调用的实现需要借助中断来执行。
  • 通过特权级来实现访问控制，借助CPL和DPL比较来实现。