一、什么是系統(tǒng)調(diào)用

想象一下，你在一家餐廳就餐，你需要通過服務(wù)員來點(diǎn)菜、支付等。系統(tǒng)調(diào)用就像是這個服務(wù)員，它在軟件和操作系統(tǒng)之間起到了橋梁的作用。當(dāng)軟件需要操作系統(tǒng)提供的某項服務(wù)時，它就像顧客一樣，通過點(diǎn)菜（調(diào)用API）來告訴服務(wù)員（系統(tǒng)調(diào)用）它的需求。本質(zhì)上，系統(tǒng)調(diào)用就是用戶程序與操作系統(tǒng)之間的接口程序。

二、為什么需要系統(tǒng)調(diào)用

保護(hù)資源

就像在餐廳里，你不能直接進(jìn)廚房做飯，而需要通過服務(wù)員來點(diǎn)菜。同樣，操作系統(tǒng)會將可能產(chǎn)生多個程序訪問沖突的資源保護(hù)起來，提供API，軟件只能通過系統(tǒng)調(diào)用這些API來操作對應(yīng)的資源。比如應(yīng)用程序要訪問網(wǎng)絡(luò)、讀寫文件等都需要通過系統(tǒng)調(diào)用來完成。

簡化軟件開發(fā)

就像你只需要告訴服務(wù)員你想吃什么，而不需要自己去廚房做飯。操作系統(tǒng)為簡化上層軟件開發(fā)，對某些資源和基礎(chǔ)能力進(jìn)行封裝，提供API，軟件通過系統(tǒng)調(diào)用這些API可以輕松集成能力。

操作系統(tǒng)是基礎(chǔ)軟件

操作系統(tǒng)是基礎(chǔ)軟件，與其它軟件是不同的進(jìn)程。其它軟件使用操作系統(tǒng)提供的能力，可以用進(jìn)程間通信，但是各種進(jìn)程間通信機(jī)制也是基于系統(tǒng)調(diào)用，所以直接使用系統(tǒng)調(diào)用更為便捷。

三、系統(tǒng)調(diào)用過程

系統(tǒng)調(diào)用和普通庫函數(shù)調(diào)用非常相似，只是系統(tǒng)調(diào)用由操作系統(tǒng)內(nèi)核提供，運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)，而普通的庫函數(shù)調(diào)用由函數(shù)庫或用戶自己提供，運(yùn)行于用戶態(tài)。

圖片

軟中斷模式

在軟中斷模式下，用戶程序會調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫，這就像顧客看菜單點(diǎn)菜。然后，標(biāo)準(zhǔn)庫執(zhí)行軟中斷指令，CPU切換上下文，由用戶態(tài)進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，這就像服務(wù)員把菜單帶到廚房。內(nèi)核通過中斷向量表查找到中斷處理程序，并執(zhí)行它，這就像廚師根據(jù)菜單開始做菜。系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行完畢，從中斷處理程序返回，這就像服務(wù)員把做好的菜端給顧客。

在軟中斷模式中，CPU只需要執(zhí)行一個INT指令就可以了，比較簡單。

快速調(diào)用

快速調(diào)用是為了避免上下文切換的開銷。這就像顧客直接告訴廚師他們想吃什么，而不需要通過服務(wù)員，使得通信的速度更快，更有效率。

快速調(diào)用需要CPU的支持，以x86 CPU為例，快速調(diào)用的實現(xiàn)主要使用了兩個指令：sysenter和sysexit。

sysenter指令

sysenter指令是一個特殊的CPU指令，它用于從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。當(dāng)一個程序需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時，它會執(zhí)行sysenter指令。這個指令會使CPU切換到內(nèi)核態(tài)，并跳轉(zhuǎn)到操作系統(tǒng)內(nèi)核中預(yù)設(shè)的系統(tǒng)調(diào)用入口點(diǎn)。這個過程中，CPU不需要執(zhí)行中斷，也不需要切換上下文，因此，執(zhí)行sysenter指令的開銷比執(zhí)行軟中斷的開銷要小。

sysexit指令

與sysenter指令相對應(yīng)，sysexit指令用于從內(nèi)核態(tài)切換回用戶態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用完成后，操作系統(tǒng)內(nèi)核會執(zhí)行sysexit指令。這個指令會使CPU切換回用戶態(tài)，并跳轉(zhuǎn)回到執(zhí)行sysenter指令之后的下一條指令。這個過程同樣不需要執(zhí)行中斷和切換堆棧，因此，執(zhí)行sysexit指令的開銷也比執(zhí)行軟中斷的開銷要小。

不同的CPU可能會有不同的快速調(diào)用方式，不過應(yīng)用程序不需要關(guān)心CPU具體是怎么做的，操作系統(tǒng)會做好封裝，標(biāo)準(zhǔn)庫會提供操作的API。

四、代碼示例

在Go語言中，我們可以使用syscall包來進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。下面是一個使用syscall包進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用的示例，該示例使用系統(tǒng)調(diào)用獲取系統(tǒng)時間：

package main

import (
    "fmt"
    "syscall"
    "time"
)

func main() {
    // 創(chuàng)建一個syscall.Timeval結(jié)構(gòu)體用于存儲時間
    var tv syscall.Timeval

    // 使用syscall.Gettimeofday函數(shù)獲取當(dāng)前時間
    err := syscall.Gettimeofday(&tv)
    if err != nil {
        fmt.Println("Error:", err)
        return
    }

    // 將秒和微秒轉(zhuǎn)換為time.Time類型
    t := time.Unix(tv.Sec, tv.Usec*1000)

    // 打印時間
    fmt.Println("Current time:", t)
}

在這個示例中，我們首先創(chuàng)建了一個syscall.Timeval結(jié)構(gòu)體用于存儲時間。然后，我們使用syscall.Gettimeofday函數(shù)來獲取當(dāng)前時間，并將其存儲在我們之前創(chuàng)建的syscall.Timeval結(jié)構(gòu)體中。最后，我們將syscall.Timeval中的秒和微秒轉(zhuǎn)換為time.Time類型，并打印出來。