操作系统 | 中断 & 系统调用浅析

彭旭锐
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前言

  • 在分析 Android 源码的过程中，往往会经历 app -> framework -> native -> kernel 的过程，最终就来到了用户程序与内核层序的边界，即：系统调用（System Call）；
  • 清晰地理解系统调用的相关概念，对于后续深刻理解其他重点知识大有裨益。在这篇文章里，我将简单分析 中断 &系统调用 的相关概念，如果能帮上忙，请务必点赞加关注，这真的对我非常重要。

1. 中断机制

1.1 什么是中断？

  • 定义

中断（interrupt）是计算机系统中的基本机制之一。即：在计算机运行过程中，当发生某个事件后，CPU 会停止当前程序流，转而去处理该事件，并在处理完毕后继续执行原程序流。

相关概念描述
中断分类硬中断（Hardware Interrupt）& 软中断（Software Interrupt）
中断向量表（Interrupt Vector Table）记录了中断号与中断服务程序内存地址的映射关系
中断服务程序 / 中断处理程序（Interrupt Service）通过中断向量表定位到的特定处理程序

1.2 为什么引入中断？

中断机制的好处是 化主动为被动，避免 CPU 轮询等待某条件成立。如果没有中断机制，那么“某个条件成立”就需要 CPU 轮询判断，这样就会增加系统的开销。而使用中断机制，就可以在条件成立之后，向 CPU 发送中断事件，强制中断 CPU 执行程序，转而去执行中断处理程序。

1.3 硬中断

硬中断由外部设备（例如：磁盘，网卡，键盘，时钟）产生，用来通知操作系统外设状态变化。

时钟中断： 一种硬中断，用于定期打断 CPU 执行的线程，以便切换给其他线程以得到执行机会。

硬中断的处理流程如下：

  • 1、外设 将中断请求发送给中断控制器；
  • 2、中断控制器 根据中断优先级，有序地将中断传递给 CPUï¼›
  • 3、CPU 终止执行当前程序流，将 CPU 所有寄存器的数值保存到栈中；
  • 4、CPU 根据中断向量，从中断向量表中查找中断处理程序的入口地址，执行中断处理程序；
  • 5、CPU 恢复寄存器中的数值，返回原程序流停止位置继续执行。

1.4 软中断

软中断是一条 CPU 指令，由当前正在运行的进程产生。

软中断模拟了硬中断的处理过程：

  • 1、无
  • 2、无
  • 3、CPU 终止执行当前程序流，将 CPU 所有寄存器的数值保存到栈中；
  • 4、CPU 根据中断向量，从中断向量表中查找中断处理程序的入口地址，执行中断处理程序；
  • 5、CPU 恢复寄存器中的数值，返回原程序流停止位置继续执行。

系统调用： 是一种软中断处理程序，用于让程序从用户态陷入内核态，以执行相应的操作。

2. 系统调用

2.1 操作系统与应用的边界

  • 内核空间

操作系统（Operating System）是管理计算机硬件与软件资源的程序，操作系统内核驻留在受保护的内核空间。

  • 用户空间

应用是运行在操作系统上运行的程序，工作在用户空间。

  • 隔离

处于安全性和稳定性考虑，用户空间程序无法直接执行内核代码（例如：I/O 读写、创建新进程/线程），也无法访问内核数据，必须通过系统调用。

2.2 系统调用的定义

系统调用（Syscall） 是一种软中断处理程序，用于让程序从用户态陷入内核态，以执行相应的操作。

2.3 系统调用的作用

当发生系统调用时，会让程序从用户态陷入内核态，以执行相应的操作。

2.4 系统调用中断处理程序的流程

  • 1、程序从用户态陷入内核态
  • 2、根据系统调用号，在系统调用表中查找对应的系统调用函数的内存地址，执行系统调用函数。
  • 3、程序从内核态返回用户态

参考资料

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