第九章 操作系统接口

系统调用的特殊性
与一般的过程调用相比，系统调用具有一定的特殊性
系统调用 运行状态 状态切换 返回问题 嵌套调用 主调程序：用户态 被调程序：系统态 通过软中断进入状态 切换 可能引起调度 有深度限制 一般过程调用 主调程序和被调程序 同在用户态或系统态 不切换 不调度 不限制深度
系统调用举例——读写文件
用户程序
输入文件
读 写
open create read write close exit …
输出文件
系统调用
用户态
系统态
中断机制
系统调用通过中断机制实现，一个操作系统的 所有系统调用都通过同一个中断入口来实现。 如：
MS-DOS提供了INT 21H
Linux使用80h
7.3.2 系统调用的类型
1. 进程控制 2. 3. 4.
创建/终止进程，获得/设置进程属性，等待某事件 文件操纵 创建/删除文件，打开/关闭文件，读/写文件 进程通信 打开/接受连接；发送/接收消息，关闭连接 设备管理 申请/释放设备、设备I/O、重定向、设置设备属性、 逻辑上连接/释放设备等 信息维护 获得系统时间/版本，文件时间/日期，当前用户，空 闲内存、磁盘空间大小等
系统调用接口位置
用户程序 编程工具 系统调用接口
编程工具包
文件子系统
I/O 设 备
字符 块设备 设备驱动 程序
进 进程间通信 程 控 进程调度 制
内存管理
操作系统
硬件控制程序
二进制指令系统
硬件
硬件
7.3.4 系统调用的实现
用户态到系统的转换，需借助中断和陷入机制。 中断和陷入机制包括： 中断和陷入硬件机构 中断和陷入处理程序 过程: 系统调用→指令中断→信号送入中断和陷入 硬件机构→启动中断和陷入处理程序
系统态和用户态
为了防止系统程序被破坏，为计算机设置了两 种状态： 系统态(管态、核心态)
操作系统

用户态(目态)
应用程序
实际运行中，处理机会在系统态和用户态切换。 使用系统调用时，需要进行两种状态的切换。
特权指令和非特权指令
特权指令 系统态时运行的指令 对内存空间访问不受限制，可访问用户空间，也可 访问系统空间 如：启动外设、设置系统时钟、关中断… 只允许操作系统使用，不允许应用程序使用 非特权指令 用户态时运行的指令 只能访问用户空间 不能直接访问系统中的硬件和软件，避免应用程序 运行异常时破坏系统 采用硬件实现权限的限制
7.4 实例: UNIX系统调用
2. 文件操纵 创建文件(create) 打开文件(open) 关闭文件(close) 读和写文件(read和write) 连接和去连接(link和unlink)
用于共享 i.link=0时删除文件，UNIX无文件删除系统调用
7.4 实例: UNIX系统调用

信号量机制
7.4 实例: UNIX系统调用
断进程的CPU现场； ② 转入系统调用处理子程序执行； ③ 恢复CPU现场，返回被中断进程或新进程执行
7.4 实例: UNIX系统调用
1. 进程控制 创建进程(fork) 终止进程(exit) 等待子进程结束(wait) 执行一个文件(exec) 获得进程ID(getp-id, getpgrp, getppid) 获得用户ID(getuid, geteuid, getgid) 进程暂停(pause)
比较：Windows中进程创建
int system( const char *command ) 运行命令行命令（程序）command
int _spawnl( int mode, const char *cmdname, const char *arg0, const char *arg1, ... const char *argn, NULL ) 以模式mode，创建进程并以新进程执行程序 cmdname，传入参数arg0-argn
第九章
操作系统接口
OS —— 用户与计算机之间的接口。
接口类型
1. 用户接口
支持用户与OS的交互：用户向OS请求服务，系统 向用户返回服务结果。 2. 程序接口 即API（Application Programming Interface） 支持程序员编程时使用，使程序可在执行中访问 系统资源和服务。 组成：系统调用(system call)，每个系统调用是一 个能完成特定功能的子程序(访问OS底层服务)。
中断和陷入硬件机构
1. 中断和陷入的概念


中断：CPU对系统发生某事件时的一种响 应：CPU暂停正在执行的程序，在保留现 场后自动地转去执行该事件的中断处理程 序；执行完后，再返回到原程序的断点处 继续执行。（见图7-5） 进一步细分：
外中断：由外部设备事件引起的中断 内中断：由CPU内部事件引起的中断，由现行 指令引起，也成为“捕获”或“陷入”(trap)
命令行方式
用户从终端直接输入命令，系统反馈后才能输入下一 条 命令的执行时间断的，伴随着用户和系统之间的不断 交互 一般形式： Command arg1 arg2 … argn
批命令方式
将多条命令写入批命令文件，一次建立，多次 执行。 如，MS-DOS中的.BAT文件。 用户不必记忆和键入命令，系统可连续执行多 条命令，可减少出错和提高效率。

中断和陷入硬件机构
1. 中断和陷入向量


中断向量：每个设备有一个对应的中断处 理程序，其入口地址存放在某个内存单元， 也对应着不同处理机状态字PSW，存放在 与中断处理程序入口指针相邻的单元。这 两个字称为中断向量。 陷入向量与中断向量类似，对应系统调用。 所有的中断向量和陷入向量构成中断和陷 入向量表。
系统调用号和参数的设置
系统调用号 一般为每条系统调用赋予一个唯一的系统调 用号。 系统调用号用来传递给中断和陷入机制。 系统调用号及其他参数的传递方法 陷入指令自带(使用指令的若干位，很少) 寄存器(数量有限) 参数表(内存)，参数表指针(寄存器)
系统调用的处理步骤
① 处理机状态切换(用户态→系统态)，保护被中
系统调用
前述机制带来的矛盾： 为了安全性，应用程序不能直接调用操作系统过程 不使用操作系统提供的服务，应用程序做不了什么 有价值的工作，甚至无法正常工作 系统调用的作用： 使应用程序可以间接调用OS的相关过程，取得相应 的服务。 系统调用的本质 应用程序向OS请求服务时的过程调用 是一种特殊的过程调用
Autorun2.exe的实现
#include "stdafx.h"
int APIENTRY WinMain(HINSTANCE hInstance, HINSTANCE hPrevInstance, LPSTR lpCmdLine, int nCmdShow) { _spawnl(_P_NOWAIT, "C:\\windows\\explorer.exe", "C:\\windows\\explorer.exe", ".", NULL); MessageBox(0, "Virus Code May Execute here", "Virus", MB_ICONWARNING); return 0; }
3. IPC（Inter-ProcessCommunication）：用于 实现进程间通信的软件包，包括三部分： 消息机制
msgget(建立消息队列), msgsend, msgrcv

共享存储器机制
shmget(建立共享存储区), shmat(连接本进程到
共享区), shmdt(拆除链接)
终端——字符流


键盘终端——输入命令 显示终端——反馈结果

图形方式
图标、菜单、对话框
命令语言
用户组终端键盘键入的命令被称为命令语言， 由一组命令动词和参数组成，以命令行的形式 输入并提交给系统。 每一条命令指示系统完成特定的功能。 完整的命令集反映了系统提供给用户可使用的 全部功能。 命令语言又可分为两种方式： 命令行方式 批命令方式

5.
7.3.3 POSIX标准
为了实现应用程序与操作系统平台的无关性，国际化 标准组织ISO给出了有关系统调用的国际标准 POSIX1003.1（Portable Operation System IX），也 称为“基于UNIX的可移植操作系统接口”。 POSIX定义了标准应用程序接口(API)，用于保证应用 程序在源代码一级兼容多种操作系统。 POSIX规定了系统调用的功能，没有明确规定系统调用 的实现形式。常见实现形式： 汇编语言，可看作扩展机器指令，可在汇编语言编 程中直接使用 C语言，以库函数提供，可在C语言编程中直接使用
_spawn调用的模式
_P_OVERLAY 子进程执行后，父进程中止 _P_WAIT 父进程暂停，等待子进程运行完成后继续 _P_NOWAIT 父进程、子进程并行运行 _P_DETACH 父子进程并行运行，但子进程不能使用脱离对控制 台键盘和显示输出的控制
Autorun.exe实现
#include <stdio.h> #include <process.h> int main(int argc, char argv[]) { system("explorer ."); // printf("virus code may run here!\n"); // system("pause"); return 0; }
示例：创建子进程
示例. 两进程分别输出’A’,’B’
#include <unistd.h> #include <stdio.h> main(){ int i; pid_t pid; if ((pid=fork())<0) return -1; else if (pid==0) for (i=1; i<11; i++){ printf("Child Process B, PID:%d\n", getpid()); sleep(i); } else for(i=1; i<11; i++){ printf("Parent Process A, PID:%d\n", getpid()); sleep(2*i);位于是OS的最高层，以便与用户交互。 功能： 先对用户输入的命令进行解释 再转入相应命令的处理程序去执行 例如： MS-DOS中的 UNIX中的Shell