这篇文章介绍什么是 kernel space 和 user space，以及系统调用（System call，以下会用 syscall表示）。
为什么要分成 kernel space 和 user space 呢？
这要对系统对进程的抽象说起，每一个进程看到的内存空间都从固定的位置开始，main() 总是从 0x4005db 开始，stack 也总是从特定的位置开始。那么不同进程使用的内存都是重叠的吗？
当然不是。这就是系统对进程的抽象。每个进程只能看到自己的内存，MMU（内存管理单元）将解决每个进程看到的虚拟内存和实际物理内存的对应（内存管理是一个很大的话题，这里只是简单的描述，有关内存管理有很多资料可以参考，这里提供一个有趣的文章：Virtual Memory With 256 Bytes of RAM – Interactive Demo）。不仅仅是内存，每个进程只能使用有限的资源，而 kernel 可以使用所有的资源。当 user space 需要使用硬件资源时，user space 通过 syscall 告诉 kernel space，kernel space 来完成调用。
这样做的目的是将资源隔离开，确保 user space 崩溃不会影响 kernel space；以及限制 user space 所能做的事情，不能让程序可以随意进入 kernel space 进行任意的操作。怎么做到的呢？当计算机启动的时候，CPU 会进入 ring0，即特权状态，在一个地址设置好 syscall 的对应关系（这个对应关系可以在这里查），比如 1 对应的就是 write() syscall，然后 CPU 退出到 ring3，即 user space。再次进入 ring0 的唯一方法就是通过 syscall。syscall 要求传入一个 int 表示要调用哪一个 syscall，这样，kernel 就可以控制所能执行的动作，即只能执行事先定义好的 syscall mapping。
Syscall 和一般的函数调用是不一样的，这一点读者应该已经明白了。因为在程序内部，可以使用 stack 或内存在调用之间传值，但是 user space 和 kernel space 是隔离的（当然也可以通过共享的内存传值），stack 不是共用的。如果写一个简单的 write() 程序反编译，可以看到 syscall 的汇编代码是 mov exa, 1 syscall ，其中1就是前面我们说的 syscall mapping，即 write()，然后 syscall 是 user space 向 kernel space 发出的软中断，进入 kernel space，kernel 会检查 exa 寄存器的值，找到对应的函数执行。（不同的架构实现会有所不同）
简单来说，kernel space 和 user space 是两个世界，syscall 就是连接这两个世界的桥梁。虽然这个桥梁我们一般不会直接使用，而是通过 glibc，glibc 是 syscall 的一个 wrapper，让我们 call 起来更加简单方便。比如说 printf 函数，其实就是 write() 的一个 wrapper。
通过 man 2 write 可以看到 write() 的原型如下：
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#include <unistd.h> ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count); |
所以我们可以这么调用，向屏幕打印字符：
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void main(){ // 1是stdout write(1, "hello syscall!", 20); } |
有关 syscall 大体就是这样。以上是我的理解，如果有错误欢迎交流。下面再介绍一些相关的工具。
上面那张截图 radare2 的界面，一个反编译工具。使用方式是 radare2 -d ./a.out ，然后在s sym.main ，设置断点，可以看到 syscall 是如何执行的。
通过 man syscalls 可以查看系统提供的 syscalls. strace 工具可以将一个进程使用的 syscall 输出到 stderr，包括调用的参数，和返回值。比如查看 ls 使用的系统调用：
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[vagrant@centos7 ~]$ strace ls execve("/usr/bin/ls", ["ls"], [/* 25 vars */]) = 0 brk(NULL) = 0x1574000 mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fde7d373000 access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory) open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3 fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=25207, ...}) = 0 mmap(NULL, 25207, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7fde7d36c000 close(3) = 0 # 以下省略 |
-c 参数很有用，可以显示每次 call 花费的时间，call 的次数，占用的总时间等，是一个 perf 的好工具。
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[vagrant@centos7 /]$ strace -c ls bin boot dev etc home lib lib64 media mnt opt proc root run sbin srv sys tmp usr var % time seconds usecs/call calls errors syscall ------ ----------- ----------- --------- --------- ---------------- 24.29 0.000034 17 2 statfs 9.29 0.000013 7 2 munmap 7.86 0.000011 1 13 close 6.43 0.000009 9 1 write 6.43 0.000009 0 27 mmap 5.71 0.000008 4 2 getdents 5.00 0.000007 1 10 open 5.00 0.000007 4 2 ioctl 4.29 0.000006 6 1 stat 3.57 0.000005 0 11 fstat 3.57 0.000005 0 18 mprotect 3.57 0.000005 2 3 brk 3.57 0.000005 3 2 1 access 2.86 0.000004 2 2 rt_sigaction 2.86 0.000004 4 1 openat 1.43 0.000002 2 1 rt_sigprocmask 1.43 0.000002 2 1 getrlimit 1.43 0.000002 2 1 set_tid_address 1.43 0.000002 2 1 set_robust_list 0.00 0.000000 0 8 read 0.00 0.000000 0 1 execve 0.00 0.000000 0 1 arch_prctl ------ ----------- ----------- --------- --------- ---------------- 100.00 0.000140 111 1 total |
参考资料：
- Linux System Programming
- Youtube: Syscalls, Kernel vs. User Mode and Linux Kernel Source Code – bin 0x09
- jvns 的这篇漫画：https://drawings.jvns.ca/userspace/