Muokataan sivua Järjestelmäkutsu

Järjestelmäkutsut muodostavat rajapinnan prosessissa suoritettavan [[User Mode]]
-ohjelman ja ytimen välillä. Rajapinnan avulla ohjelma voi käyttää
ytimen tarjoamia palveluita, kuten esimerkiksi lukea tiedostosta tai
käynnistää uuden ohjelman.

==Yleistä==

Linuxissa on yli kolmesataa erilaista järjestelmäkutsua, toiset keskeisempiä,
toiset vähän harvemmin käytettyjä. On tärkeää huomata, että [[POSIX]]-standardi, jota
Linux noudattaa, ei erottele järjestelmäkutsuja tavallisista funktiokutsuista.
POSIX määrittelee vain rajapinnan, ei sitä, mikä rajapinnan funktio on
tavallinen kirjastofunktio ja mikä oikeasti järjestelmäkutsu.
Järjestelmäkutsut ovat olemassa vain siksi, että ydin pystyisi takaamaan
lupaamansa säännöt, kuten muistialueiden ja tiedostojen suojaukset.

Joskus onkin käynyt niin, että järjestelmäkutsu on "alennettu" kirjastofunktioksi.
Esimerkiksi <tt>fork</tt>-funktio oli alunperin Linuxin järjestelmäkutsu, mutta se korvattiin
yleiskäyttöisemmällä <tt>clone</tt>-kutsulla, ja <tt>fork</tt>:sta tehtiin tavallinen funktio,
joka kutsuu <tt>clone</tt>:a.

==Esimerkkejä järjestelmäkutsuista==

Seuraavassa luettelo muutamasta usein käytetyistä kutsuista.

* tiedostojen käsittely: <tt>creat, open, read, write, lseek, close, chmod, link, unlink</tt>

* prosessien käsittely: <tt>clone, exec, wait, execve, nice, exit</tt>

* verkkorajapintaan liittyvät kutsut: <tt>socketcall</tt> (sisältäen <tt>socket, connect, bind, listen, accept</tt>)

* käyttäjien hallinta: <tt>getuid, setuid, chown, chgrp</tt>

Järjestelmäkutsut on dokumentoitu Linuxin manuaalin kappaleessa 2. <tt>man 2 intro</tt> -käsky antaa
lisätietoja.

==Järjestelmäkutsumekanismi==

Sovellusohjelman ei voida sallia kutsua ytimen koodia ihan vapaasti,
vaan sen on tapahduttava määritellyn kutsurajapinnan kautta. Rajoittamalla
kutsut tapahtuviksi tiettyjen osoitteiden kautta varmistutaan
siitä, että ytimen koodia kutsutaan oikein. Järjestelmäkutsun käsittelijärutiinissa
tehdään tyypillisesti tarkistuksia, kuten syötettyjen
parametrien järkevyyden testausta. Useimmissa tapauksissa tarkistetaan myös
onko kutsujalla oikeus suorittaa kutsu; esimerkiksi onko käyttäjällä
oikeutta lukea tiedostoa tai tappaa prosessia.

Järjestelmäkutsussa tapahtuu siirtymä prosessorin tilassa User Modesta
[[Kernel Mode]] -tilaan. Miten tämä tapahtuu riippuu käytetyn prosessorin
arkkitehtuurista, mutta tyypillinen tapa on niin sanottu "ohjelmallinen
keskeytys" (software interrupt). Tämä mekanismi toimii siten, että prosessori
suorittaa 'int'- tai 'trap'-käskyn, jonka seurauksena prosessori vaihtaa
tilansa Supervisor Mode -tilaan ja jatkaa suoritusta määritellystä
keskeytyksen käsittelijärutiinista.

Intel x86-perheen prosessoreilla Linuxissa on perinteisesti käytetty
<tt>int $0x80</tt> -käskyä järjestelmäkutsun suorittamiseen. Järjestelmäkutsun
numero välitetään <tt>eax</tt>-rekisterissä, muut parametrit rekistereissä
<tt>ebx</tt>, <tt>ecx</tt>, jne., riippuen kutsun parametrien lukumäärästä.

Sovellusohjelmat eivät kutsu järjestelmäkutsuja suoraan, vaan
samannimisia funktioita standardikirjasto [[Libc]]:ssä, jotka muodostavat
ohuen "kuoren" järjestelmäkutsun ympärille. Nämä funktiot
suorittavat sitten kukin vastaavan
järjestelmäkutsun. Syynä tähän järjestelyyn on se, että
järjestelmäkutsuilla on oma kutsutapansa; parametrit siirretään
rekistereissä ja itse kutsua ei suoriteta <tt>call</tt>-käskyllä, vaan
muulla mekanismlla, esim. yllä mainitulla <tt>int $0x80</tt> -käskyllä.

Tällä tavalla saadaan eristettyä varsinaisen järjestelmäkutsun monimutkaisuus
Libc-kirjaston hoidettavaksi Sovellusohjelmat voivat kutsua Libc:n vastaavaa
funktiota normaalilla korkean tason kielen (C) kutsulla, assembly-koodin sijasta.
Lisäksi ytimen kutsutapa on riippumaton kääntäjän käyttämästä C-kielen kutsutavasta.
Sovellusohjelmissa voidaan jopa vaihtaa kutsutapaa (esimerkiksi käyttämään parametrinvälitystä
rekistereissä pinon sijasta) muuttamatta ytimen järjestelmäkutsurajapintaa.
(Tämä tosin vaatii sekä sovellusten että kirjastojen, mukaan lukien libc, uudelleen
kääntämistä uudella kääntäjällä tai kääntäjän optioita muuttaen.)

Prosessorin rekistereitä käytetään parametrien välittämiseen siksi,
että prosessorin tilan vaihtuessa User Mode:sta Supervisor Mode -tilaan,
vaihtuu myös käytettävä pino.

==Sysenter ja Sysreturn==

Intelin x86-prosessoreissa on Pentium II -prosessorista alkaen ollut vaihtoehtoinen
käsky, jolla siirtymän User Modesta Kernel Mode -tilaan voi toteuttaa: <tt>sysenter</tt>.
Tämä käsky keksittiin tuomaan ratkaisu int-käskyyn liittyvään ongelmaan.

<tt>int $0x80</tt> -mekanismi on hidas, eli suoritus vaatii monta
kellojaksoa, ja se on muuttunut nykyaikaisissa prosessoreissa
suhteellisesti mitattuna yhä hitaammaksi. Uusi <tt>sysenter</tt>-käsky on
nopea, mutta vanhemmat prosessorit eivät tue sitä, jolloin on
käytettävä vanhempaa <tt>int $0x80</tt>-käskyä. (<tt>sysenter</tt>-käskyn kanssa
samanaikaisesti esitellyllä <tt>sysreturn</tt>-käskyllä palataan järjestelmäkutsusta.)

Tavoitteena on toisaalta
pitää Libc riippumattomana prosessoriversiosta ja myös puhtaana
koodista, joka ajon aikana tutkii mitä käskyjä prosessori tukee ja
mitä se ei tue.

Ratkaisuna tähän ongelmaan ''ydin'' tarjoaa koodin, jolla
prosessorikohtaisesti järjestelmäkutsu suoritetaan optimaalisella
tavalla: joko <tt>sysenter</tt>-käskyä käyttäen, <tt>int $0x80</tt>-käskyllä,
tai tulevaisuudessa mahdollisesti jollain muulla mekanismilla. Tämä
koodi sijaitsee prosessin osoiteavaruudessa pienellä, ennalta
määritetyllä muistialueella. Libc suorittaa järjestelmäkutsun
kutsumalla funktiota tällä alueella, ja funktio tekee
varsinaisen järjestelmäkutsun. Libc joutuu toki edelleen tutkimaan,
onko tämä muistialue olemassa jotta kirjasto toimisi myös ytimellä,
joka ei tue tätä uutta mekanismia.

==User Mode -järjestelmäkutsut==

Nopeammallakin <tt>sysenter</tt>-käskyllä suoritettuna järjestelmäkutsu on suhteellisen
paljon aikaa vievä operaatio. Kaikkia kutsuja varten ei kuitenkaan tarvitse tehdä siirtymää
Kernel Mode -tilaan. Esimerkiksi <tt>gettimeofday</tt>-kutsu, joka palauttaa ytimen käsityksen
kellonajasta, voidaan toteuttaa siten, että ydin sijoittaa toistuvasti tuoreen arvon
tunnettuun muistipaikkaan prosessin muistiavaruudessa. <tt>gettimeofday</tt>-funktio voi
käydä lukemassa arvon tästä muistipaikasta, tarvitsematta suorittaa <tt>sysenter</tt>-käskyä.

==Aiheesta muualla==

* [http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/lk/lk-4.html The Linux Kernel: System Calls]
* [http://articles.manugarg.com/systemcallinlinux2_6.html Sysenter Based System Call Mechanism in Linux 2.6]