【操做系統學習】操做系統接口

接口

什麼是接口。
以生活中常見的插座爲例，咱們怎麼使用的呢？咱們只須要將插頭插入到插座內部，就能夠輕鬆地使用，咱們沒必要知道里面哪些是火線，哪些是零線。。。

因此這是一個抽象化的概念，它將功能封裝好，而後方便別人調用。
咱們要進行學習的有兩個

1. 什麼是操做系統接口？
2. 上層應用調用接口時，在內部是究竟怎麼運做的？

操做系統接口

簡單來講，操做系統是鏈接上層用戶和操做系統軟件的

好比咱們鍵入一個hello命令，屏幕上顯示了hello，它方便了使用，屏蔽了細節。

咱們日常使用計算機經過以下方式。

咱們進行深層次的剖析，究竟哪些是操做系統給咱們的接口呢？

命令行

首先從命令行開始，從咱們在計算機中敲入命令，內部究竟發生了什麼呢？

什麼是命令？
命令其實就是一段用c語言寫的程序而已。當我在命令行輸入以下命令./output "hello"（實際上沒有這個命令，是本身實現的）
其實這個命令實際是咱們寫的這樣一段程序：

#include <stdio.h>
int main(int argc,char * argv[]) {
    printf("ECHO:%S\n",argv[1]);

}

執行咱們的命令就會在屏幕中打出：

ECHO：hello

將上面的程序通過下面的編譯

gcc -o output output.c

而後就能夠經過這個可執行文件來進行執行命令了。
那麼敲入命令發生了什麼呢？其實敲入的命令都是在shell裏的。
其實shell也是一段程序：/bin/sh

在以前的學習過程當中，知道了操做系統的啓動，在啓動以後，就會執行/bin/sh這個就是shell

int main(int argc,char* argv[]){
    char cmd[20];
    while(1) {
        scanf("%s",cmd);
        if(!fork()) {
            exec(cmd);
        }
        else {
            wait()；
        }
    
    }

}

這個如今能夠不用先徹底搞懂。後面會學。
總結一下，咱們從輸入到輸出，內部作了哪些事情。首先經過shell的函數，調用output，而後經過可執行文件，將這個結果輸出。

圖形按鈕

當鼠標點下去的時候，經過中斷，放到系統消息隊列裏面，應用程序要寫一個getMessage，這個是一個循環，不斷的讀取。要從操做系統裏面把這些消息一個一個的讀取出來。根據拿出來的消息來進行相應的操做，好比是鼠標按下的消息，執行相應的函數。

因此圖形界面也是沒有那麼複雜，主要仍是調用函數，應用程序經過函數的調用來獲取消息隊列中的消息，經過調用一些函數。來進行文件的讀寫功能。等等。

因此不管是命令行仍是圖形界面，都是一些普通的C代碼加上一些重要的函數。好比你要使用顯示器 就使用print函數，若果要使用鍵盤，就須要getMessage函數。等等
因此說操做系統就是提供這樣的重要的函數，這個就是操做系統的接口了，接口表現爲函數調用，又由系統提供，因此稱爲系統調用。

常見的接口

以前咱們提到的printf不算是一個接口，它實際上是包裝了一個write函數，咱們不須要徹底背下來這些接口，咱們須要知道去哪裏查。

POSIX，這個是統一的接口。

系統調用的實現

實現一個whoami系統調用

用戶程序調用whoami，一個字符串「lizhijun」放在操做系統中，取出來打印。

用戶程序：

main(){
    whoami();
}
-------------------
內存中
whoami(){
    printf(100,8);
}

"lizhijun"

進入內核取出」lizhijun「，打印出來。
思考一個問題，爲何我寫的用戶程序，必定要經過whoami()來獲取呢？這些都存在內存中，爲何不能夠直接調用printf(100,8);來直接打印出來呢？

同理應用程序在內存中，操做系統也在內存中，應用程序訪問操做系統提供的功能，爲何不能直接「跳」進去？

答案是不容許的。
不能隨意的調用數據，不能隨意的jmp。若是能夠的話，能夠看到root的密碼，能夠修改它，能夠經過顯存看到別人word的內容。
這是至關危險的！

如何實現這種安全的系統

要將內核程序和用戶程序隔離！要區份內核態和用戶態，須要處理器硬件的實現。
處理器將內存割了不少區域，分爲用戶態和內核態。在內存中叫作用戶段和內核段。處於用戶態的程序不能使用內核段的內存。

DPL是用來描述目標內存段的特權級，上面咱們所說的whoami()就是一個目標內存段，通俗的理解爲是要訪問的目標段。操做系統初始化時，硬件設置成0表示內核態，3是用戶態。實際上這個DPL就初始化在GDT表中，等於0

也就是說head.s在初始化GDT表的時候，就把DPL置爲0。

RPL是當前的特權級，這個取決於你執行的是什麼指令，若是咱們執行的是上面所說的那個main()函數的話，須要CS:IP來肯定指令所在的地址，這裏面的CS的最低兩位，就表明着這個內存段的特權級。

因此要檢查DPL是否是大於CPL，也就是說CPL越小越好調用其餘的內存段。

總結一下：

當操做系統啓動的時候，head.s會針對內核態的代碼和內核態的數據創建GDT表象，對應的DPL就設置爲0，初始化好了以後，就進入到用戶態執行，當用戶態執行的時候，啓動一個用戶程序，好比咱們啓動一個PPT，它中的CPL就等於3，因此不能直接訪問內核態的數據。

咱們應該怎麼進入內核態

硬件提供了「主動進入內核的方法」，對於Intel X86，那就是中斷指令int，固然只有一部分的指令能夠進入內核態
int指令將使Cs中CPL改成0，「進入內核」
這是用戶程序發起的調用內核代碼的惟一方式。

經過調用庫函數printf()展開write的宏，而後在調用write，包含int 0x80中斷，從而進入了內核態。

下面好好說一下這個宏都作了什麼事情

int0x80作了什麼？？

之前講過經過查GDT表來查詢跳轉到哪裏去執行，而int指令則要查詢IDT表
中斷的意思就是將停下來，跳到另外一個地方去執行，執行完再回來。

如今cs = 8 ip = system_call
以前的代碼jmp 0,8中的8和這個8是同樣的，這個要跳到8，就是查詢GDT表，找到內核的代碼段。

System_call要乾的事情

_sys_call_table: