Linux 内核基础与系统调用解析

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系统调用通过软中断(如syscall指令)进入内核,经sys_call_table跳转至对应处理函数;glibc封装隐藏部分调用(如fopen→openat、getpid缓存),vdso加速time相关调用,新增系统调用需改三处且不推荐。

Linux 内核基础与系统调用解析

系统调用到底走的是哪条路径?

用户态程序调用 open()read() 时,并不直接进入内核代码,而是触发软中断(x86 是 int 0x80,现代 x86-64 更常用 syscall 指令),跳转到内核预设的入口函数 sys_call_table 对应的处理函数,比如 sys_open()。这条路径是硬编码在内核镜像里的,不是动态注册的。

常见错误现象:strace ls 显示大量 openat(…) 却找不到对应用户代码里的 fopen() —— 因为 glibc 把 fopen() 实现为对 openat() 的封装,且默认启用 AT_FDCWD;别在用户代码里硬写汇编去调 int 0x80,glibc 已经做了 ABI 适配和错误码转换。

  • syscall 指令比 int 0x80 快,但仅限 x86-64;i386 上仍得用后者
  • 系统调用号在不同架构上不通用:比如 write 在 x86-64 是 1,在 arm64 是 64
  • 内核配置 CONFIG_IA32_EMULATION 关闭时,32 位程序在 64 位内核上会直接 ENOSYS

怎么自己加一个系统调用?(以 linux 5.15+ 为例)

不推荐。主线内核已冻结新增系统调用接口,除非是硬件驱动强依赖的底层功能(如新 CPU 的安全扩展)。绝大多数需求应该走 /dev 字符设备、ioctlnetlink 或 eBPF。

如果真要实验:必须同时改三处——头文件 arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 加编号和函数名,include/linux/syscalls.h 声明函数原型,再在 fs/read_write.c 或新建文件里实现 sys_my_syscall()。漏掉任一环都会导致链接失败或运行时 ENOSYS

  • 新系统调用函数签名必须以 asmlinkage long 开头,参数不超过 6 个,类型受限(不能传结构体指针,需用 copy_from_user()
  • 返回值必须是 long,负数表示错误(如 -EINVAL),正数或 0 才是成功
  • 编译后需重装内核并重启,systemctl reboot 不等于热加载

strace 看不见的调用:哪些系统调用被 libc 隐藏了?

strace 默认只显示“裸”系统调用,但 glibc 大量内部优化会让某些行为完全不经过内核——比如小块内存分配用 brk(),但后续 malloc() 分配可能复用内存,根本不触发任何系统调用;又比如 getpid() 在多数场景下直接读取 TLS 中缓存的 pid,连 syscall 指令都不发。

常见误解:看到 printf() 没触发 write() 就以为出 bug —— 实际是输出被行缓冲或全缓冲,内容还在用户态 FILE 结构体的缓冲区里。

  • strace -e trace=%all 强制显示所有,但性能开销极大,别在生产环境跑
  • gettimeofday() 在 2.6.29+ 内核中已被 vDSO 替代,strace 完全看不到它进内核
  • clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...) 同样走 vDSO,除非时钟源切换导致回退到真实系统调用

为什么 fork()vfork() 行为差异这么大?

根本区别不在“是否拷贝页表”,而在于内存执行权的让渡时机:fork() 返回后父子进程可并发执行;vfork() 要求子进程必须先调 execve()_exit(),否则父进程被挂起 —— 这是 POSIX 强制语义,不是优化技巧。

容易踩的坑:在 vfork() 后调 printf()malloc() 或任何可能修改父进程数据的函数,结果未定义;GCC 甚至可能把局部变量优化到寄存器,导致子进程 execve() 失败后父进程恢复时读到垃圾值。

  • 现代 glibc 中 vfork() 已基本等价于 fork() + membarrier(),但语义约束仍在
  • clone() 是更底层接口,fork()vfork() 都是它封装,但普通代码不该直接用 clone()
  • 容器场景下 fork() 触发 COW,若父进程有大堆内存,首次写入延迟明显;vfork() 可规避,但风险极高

事情说清了就结束。系统调用不是 API 文档里那几行声明,它是用户态和内核态之间一道有状态、有缓存、有 ABI 约束、还带硬件特性的窄门。越想绕过它,越容易撞上 vDSO、COW、seccomp 或 ptrace 的边界。

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