システムコールの目的は、システムサービスを要求することです。オペレーティングシステムでは、ユーザーがさまざまなハードウェアリソースを直接操作することはできないため、ユーザープログラムはシステムコールを通じてカーネルにサービスを要求し、さまざまなリソースを間接的に使用することしかできません。

システムコールの目的は何ですか

#オペレーティングシステムによって提供される機能は、通常、アプリケーション自体によって実装されません。たとえば、周辺機器を直接管理する権限を持っているのはオペレーティングシステムだけであるため、ファイルを操作するにはアプリケーションがシステムコールを行う必要があります。もう 1 つの例は、プロセスまたはスレッド間の同期相互排他操作です。これも、カーネル変数を維持するためにオペレーティングシステムによって完了する必要があります。

完全なコンピューターシステムを下から上に見てみましょう: 物理ハードウェア -> OS カーネル -> OS サービス -> アプリケーション。ここでの OS カーネルは、「前のものを次のものに接続する」という重要な役割を果たし、下位では物理ハードウェアを管理し、上ではオペレーティングシステムのサービスとアプリケーションのインターフェイスを提供します。ここでのインターフェイスはシステムコールです。

アプリケーションプロセスは通常、ユーザーモードで実行されます。システムコールを呼び出すと、プロセスはカーネルモードに入り、カーネル内のコードを実行します。これにより、特権命令を実行し、特定の機能を完了する権限が与えられます。言い換えれば、システムコールは、アプリケーションがオペレーティングシステムカーネルに能動的に入る入り口です。

1. システムコールとライブラリ関数の違い

ライブラリ関数

名前の通り、関数が配置されています。これは、一般的に使用されるいくつかの関数をコンパイルし、他の人が使用できるようにファイルに配置することです。他の人がそれを使用する場合は、#include を使用してファイル名を追加するだけです (通常は lib ファイル内)。

ライブラリ機能は主に 2 つのパーティによって提供されます。1 つはオペレーティングシステムによって提供され、もう 1 つはサードパーティによって提供されます。

システムによって提供されるこれらの関数は、システムコールをカプセル化または結合して、より多くの機能を実現します。このようなライブラリ関数は、カーネルにとってより複雑な一部の操作を実装できます。たとえば、読み取り関数はパラメータに基づいてファイルを直接読み取ることができますが、その背後にある隠しファイル（どのトラック、どのセクタ、どのメモリにロードされるかなど）は、プログラマが気にする必要のない問題です。これらの操作にはシステムコールも含まれます。たとえば、write() システム関数は、同じ名前のシステムコールを呼び出して、書き込み操作を完了します。
サードパーティライブラリの場合、システムコールを直接使用する可能性が低く、システムが提供する API インターフェイスを通じて実装される点を除けば、実際にはシステムライブラリと同じです。。たとえば、printf は実際には write() システム関数を呼び出します。サードパーティのライブラリ関数のほとんどは、システム関数のカプセル化です。

システムコールとライブラリ関数の関係:

実際、システムコールがユーザーに提供するものは次のとおりです。純粋な高度なサービスについては、よりユーザーフレンドリーで特定の状況に適した機能を持たせたい場合は、ユーザー自身が定義する必要があるため、一部のシステムコールをラップするライブラリ関数が派生します。たとえば、C 言語で文章を印刷したい場合、ライブラリ関数 printf を使用しない場合、それを自分で実装し、putc() や write() などのシステム関数を呼び出す必要があります。それはさらに面倒に思えるので、システムコールはオペレーティングシステムのインターフェースを使用するための利便性のためのものであり、ライブラリ関数は人々がプログラミングするための便宜のためのものです。

たとえば、Linux オペレーティングシステムでは、C 言語ライブラリ関数 printf は実際に write システムコールを使用しますが、ライブラリ関数 strcpy (文字列コピー) はシステムコールを使用しません。さらに、システムのシステムコールインターフェイスは、通常、必要なすべての機能を完了できる最小のセットであり、同じシステムコールをカプセル化する複数のライブラリ関数が存在する場合があります。たとえば、Linux では、malloc、calloc、free の 3 つのライブラリ関数はすべて、brk システムコールを呼び出すことで完了します。

アプリケーションプログラム、ライブラリ関数、システムコールの関係を次の図に示します。

システムコールの目的は何ですか

システムコールの違いおよびライブラリ関数:

ライブラリ関数呼び出しは言語またはアプリケーションの一部ですが、システム呼び出しはオペレーティングシステムの一部です。

システムコールは、アプリケーションがカーネルと対話するためのインターフェイスです。長期にわたるプログラミングでは、システム関数の使用にはプログラムの移植性という大きな欠点があることがわかりました。例えば、Linuxが提供するシステムコール関数はWindowsとは異なります。

ライブラリ関数呼び出しは、アプリケーションの API に相当するアプリケーション開発を目的としています。この方法を使用する理由は次のとおりです。

ダブルバッファリングテクノロジ (ライブラリ関数)およびシステムコール 2 層バッファリング、システムコールの数を削減)
基盤となる呼び出し自体にいくつかの欠陥があります。
API にもレベルと特殊な作業指向を持たせる;

2. CPU カーネルモードとユーザーモード

通常、プロセッサには「ユーザーモード」と「カーネルモード」の 2 つのモードがあり、現在どちらのモードにあるかを識別するためにタグビットが使用されます。カーネルモードは、特権命令 (主にベースアドレスレジスタの内容を変更する命令などの一部のハードウェア管理命令) を含むすべての命令を実行できますが、ユーザーモードは特権命令を実行できません。この設計は主にセキュリティの問題を目的としています。つまり、上位層アプリケーションの誤った設計によって引き起こされるハードウェアの問題を回避するために、オペレーティングシステムがハードウェアを管理する責任があります。

オペレーティングシステムだけがハードウェアを直接操作できるため、オペレーティングシステムはアプリケーションにハードウェア機能へのアクセスを提供するインターフェイスを提供する必要があります。これらのインターフェイスはシステムコールと呼ばれます。

オペレーティングシステムがシステムコール要求を受信すると、プロセッサはカーネルモードに入り、I/O 操作などの命令を実行し、ベースアドレスレジスタの内容を変更します。システムコールの内容を処理した後、、操作システムはプロセッサをユーザーモードに戻し、ユーザーコードを実行します。

CPUのカーネルモードとユーザーモードに対応し、プロセスの実行状態はチューブステート(コアステート)とアイステート(ユーザーステート)に分けられます。詳細については、次の記事を参照してください: オペレーティングシステム - ユーザーモードとコアモード

4. システムコールと割り込みの関係

割り込み(割り込み) これは通常、CPU の内部または外部で保留中のイベントが発生することを意味するため、CPU はそのようなイベントを処理するために現在の命令の実行順序を変更する必要があります。割り込みとシステムコールの関係を紹介する前に、まず割り込みを分類してみましょう。

割り込みは、大きく 2 つのカテゴリに分類できます。

非同期割り込み (外部割り込み) : CPU の外部の他のハードウェアによって生成される、たとえば次のようになります。クラス割り込みは非同期です。つまり、割り込み信号はいつでも発行でき、CPU 自体のクロックビートとは関係がありません。クロックの中断、ハードディスクの読み書きサービス要求の中断など。
同期割り込み (内部割り込み/例外): CPU 内部で生成され、このタイプの割り込みは同期であると言われます。割り込み信号は、命令の実行が完了した後の現在時刻である必要があります。一般に、これらは CPU の内部イベント、または不正なオペコード、範囲外のアドレス、浮動小数点オーバーフローなどのプログラム実行中のイベントから発生します。

同期割り込み (例外) は、次のカテゴリに分類されます。

プロセッサによって検出された例外 : プロセッサはゼロ除算演算などの命令の実行中に検出された割り込み。
障害: 異常な状態が発生しますが、異常な状態が解消されると、元のプログラムフローはページフォールト異常などの影響を受けることなく実行を継続できます。。割り込みをトリガーした命令が再実行されることに注意してください。
トラップ: トラップされた命令によって引き起こされる割り込み。通常はプログラムのデバッグに使用されます。
中断: ハードウェアエラーやシステムテーブル値のエラーなど、CPU 内で重要なエラーが発生しました。この中断が発生すると、エラーは回復できなくなり、現在のプロセスを終了することしかできなくなります。
プログラムされた例外: ソフトウェア割り込み (ソフト割り込み) とも呼ばれ、プログラマのコードによってアクティブに開始される割り込みで、システムコールの実装に使用されます。。たとえば、Linux では、システムコールの実装に int 0x80 命令が使用されます。

これまで、割り込みとシステムコールの関係を発見しました。 システムコールは特殊な種類の割り込み (ソフト割り込み) です。

5. システムコールのカーネル処理

x86 マシンでは、For を区別するために 8 ビットの数値 (0 ～ 255) が使用されます。さまざまな割り込みの場合、この番号は割り込みベクタと呼ばれます。割り込みベクトルの 1 つである 128 (0x80) は、システムコールの実行に特に使用されます。

Linux システムには、IDT と呼ばれる割り込み記述子テーブルと呼ばれるシステムテーブルがあります。 IDT テーブルには 256 のエントリがあり、割り込みベクトルから対応する処理ルーチン (割り込みまたは例外ハンドラー) へのマッピング関係が保存されます。割り込みが発生すると、CPUはIDTテーブルから対応する処理ルーチンのアドレスを見つけて実行します。

システムコール処理ルーチンは、IDT テーブルのエントリを占有します。この項目は、trap_init 関数で次のように初期化されます: set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);。前述したように、上記のコードの SYSCALL_VECTOR の値は 128 です。

システムコールが発生すると、割り込み機構を通じてシステムコールルーチンsystem_callが呼び出されます。その実行プロセスは大きく 4 つのステップに分かれています:

1. レジスタからシステムコール番号と入力パラメータを取得し、これらのレジスタの値をカーネルスタックにプッシュします。システムコール番号に基づいてシステムコールディスパッチテーブルを検索し、システムコールサービスルーチン（カーネル関数）を見つけます。

2. 見つかったシステムコールサービスルーチンを呼び出します。

3. システムコールサービスルーチンの戻り値をスタックからポップし、再度レジスタに保存します。

上記のシステムコールルーチン system_call はカーネル空間で実行されます。実行前にシステムコール番号と入力パラメータがレジスタに格納されており、この格納処理はユーザ空間コードによって完了します。実際、最初のセクションで述べたように、実際のシステムコールは基本的にそれをカプセル化するライブラリ関数を持ち、システムコール番号と入力パラメータはこのライブラリ関数に保存されるのが一般的です。システムコールルーチン system_call が実行されると、戻り値はレジスタを通じてユーザー空間ライブラリ関数に返されます。

以上がシステムコールの目的は何ですかの詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。