Linuxシステムコールの理解

システムコールは、ユーザープログラムがカーネルインターフェイスを介して特権操作を要求するメカニズムです。ワークフローは次のとおりです。1。ユーザープログラムは、カプセル化関数を呼び出します。 2.システムの呼び出し番号とパラメーターをレジスタに設定します。 3。syscallの指示を実行し、カーネル状態に陥ります。 4。チェックテーブルで対応する処理機能を実行します。 5。実行後にユーザー状態に戻ります。 Straceツールを使用して追跡、syscall（）関数を直接呼び出すか、unitd.hヘッダーファイルをチェックして呼び出し番号を表示できます。システムコールとライブラリ機能の違いは、カーネル状態に入るかどうか、頻繁な呼び出しがパフォーマンスに影響することに注意する必要があることに注意する必要があります。 I/Oをマージし、MMAPとepollメソッドを使用して最適化する必要があり、システムコールを理解することで、Linuxの基礎となる動作メカニズムを習得するのに役立ちます。

Linux System Call（システム呼び出し）は、ユーザープログラムがカーネルと対話するためのコアメカニズムです。ファイル操作、プロセス制御、ネットワーク通信など、基礎となるハードウェアおよびオペレーティングシステムサービスにアクセスするインターフェイスを提供します。システムコールの実用的な原則を理解することで、Linuxシステムのオペレーティングメカニズムを深く理解するのに役立ち、システムプログラミング、パフォーマンスチューニング、トラブルシューティングにとって非常に重要です。

システムコールとは何ですか？

システムコールは、オペレーティングシステムカーネルによって提供されるインターフェイスのセットであり、ユーザースペースのプログラムがカーネルに特定の特権操作を実行するよう要求できるようにします。ユーザープログラムは、ハードウェアに直接アクセスしたり、機密命令（メモリ管理ユニットの変更、操作デバイスレジスタなど）を実行できないため、これらのタスクはシステムコールを通じてカーネルに「委任」する必要があります。

一般的なシステム呼び出しは次のとおりです。

• open() ：ファイルを開きます
• read() / write() ：ファイルまたはデバイスの読み取りまたは書き込み
• fork() / execve() ：プロセスを作成してプログラムを実行する
• exit() ：現在のプロセスを終了します
• socket() / bind() / send() ：ネットワーク通信を実行します
• mmap() ：メモリマッピングファイルまたは割り当てられたメモリ

これらの関数は、通常のCライブラリ関数のように見えますが、ユーザー状態からカーネル状態への切り替えを内部的にトリガーします。

システム呼び出しはどのように機能しますか？

システムコールの本質は、ユーザーステートプログラムがソフト割り込みまたは特別な指示を介してカーネル状態に分類され、カーネルはユーザー状態に戻る前に対応する関数を実行することです。

基本プロセスは次のとおりです。

1. ユーザープログラムは、カプセル化関数を呼び出します
   たとえば、Cライブラリでwrite(fd, buf, len)を呼び出す場合、この関数は単なるラッパーです。

2. システムの呼び出し番号とパラメーターを設定
   システムコール番号（ __NR_writeなど）を特定のレジスタ（ raxなど）に入れ、パラメーターをrdi 、 rsi 、 rdxなどに入れます。

3. カーネルに閉じ込められるように指示をトリガー
   syscallディレクティブ（x86-64）またはint 0x80 （古い方法）を使用して、カーネル状態に入ります。

4. カーネルはシステムコール処理関数を検索して実行します
   カーネルはsys_write()などのシステムコール番号に従って、システムコールテーブル（ sys_call_table ）に対応する関数を見つけます。

5. 実行後にユーザーステータスに戻ります
   結果は、ユーザー状態のコンテキストを復元しながら、レジスタ（通常はrax ）から返されます。

⚠§mote：ユーザープログラムは、 sys_writeなどのカーネル関数を直接呼び出すことはできず、 syscall命令を通じてリダイレクトする必要があります。

システムコールを表示する方法は？

実際の開発またはデバッグでは、システムコールの動作を観察する多くの方法があります。

1. straceツールを使用します

strace 、プログラムの実行中にすべてのシステム呼び出し、そのパラメーター、および戻り値を表示できる最も一般的に使用されるシステムコールトラッキングツールです。

 Strace LS

出力例：

 execve（ "/bin/ls"、["ls"]、0x7ff5a5b5b30）= 0
brk（null）= 0x55a3b7c5b000
mmap（null、8192、prot_read | prot_write、map_private | map_anonymous、-1、0）= 0x7f9d2b3ed000
openat（at_fdcwd、 "/etc/ld.so.cache"、o_rdonly | o_cloexec）= 3

これは、コマンドの背後にある実際の操作を理解するのに役立ちます。

2。プログラムで直接syscall()関数を使用します

一般に、glibcを使用して関数をカプセル化するのに十分ですが、 syscall()を直接呼び出すこともできます。

 #include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>

int main（）{
    syscall（sys_write、1、 "hello \ n"、6）;
    0を返します。
}

これはwrite(1, "Hello\n", 6); 、しかし、Cライブラリのカプセル化をバイパスします。

3。 /usr/include/asm/unistd.h /include/asm/unistd.hを表示]またはオンラインドキュメント

異なるアーキテクチャのシステムコール番号は、ヘッダーファイルで定義されています。たとえば、x86-64のコール番号はasm/unistd_64.hにあります。

システムコールとライブラリ関数

初心者はしばしばシステムの呼び出しとライブラリの機能を混同します。重要な違いは、次のとおりです。

✅注： printfシステムコールではなく、最終的にはwrite()を呼び出してシステムコールをトリガーします。

ヒント：システムコールのパフォーマンスへの影響

頻繁なシステム呼び出しは、コンテキストが毎回切り替えられるため、プログラムのパフォーマンスに影響します。最適化の提案には次のものが含まれます。

• 小さなwrite()呼び出しをマージし、バッファーバッチ出力を使用します
• read/writeの代わりにmmapを使用して、大きなファイルを処理します
• epollなどのメカニズムを使用して、ネットワークI/Oのシステム呼び出しの数を減らす

高性能サービスでは、システムコールの数を減らすことが重要な最適化ポイントです。

基本的にそれだけです。システム呼び出しは、Linuxプログラムの「基礎」です。それらのほとんどは、毎日の開発における高度なAPIによってカプセル化されていますが、詳細なシステムプログラミングの場合は避けられないコアコンセプトです。それを理解することで、下部のプログラムに何が起こっているのかをより明確にすることができます。

以上がLinuxシステムコールの理解の詳細内容です。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。