一个操作系统的设计与实现——第23章 快速系统调用

23.1 什么是快速系统调用

系统调用是操作系统为3特权级任务提供服务的一种手段。在32位操作系统中，我们通过中断实现了系统调用。由于系统调用是一个使用非常频繁的机制，且中断也不是专门为系统调用设计的，因此，64位CPU提供了系统调用的专用机制：快速系统调用。

快速系统调用由专用的syscall指令发起，并由专用的sysret指令返回。syscall必须从3特权级转移到0特权级，sysret必须从0特权级返回到3特权级。快速系统调用全程使用寄存器传参，并且系统调用函数的cs:rip是预设好的，因此，syscall/sysret均不需要参数。

综上，快速系统调用的整套机制都是非常固定的，这就带来了高效率。

23.2 快速系统调用的安装

在使用快速系统调用之前，需要先安装好快速系统调用所需的组件，这涉及到4个MSR。

23.2.1 IA32_EFER

快速系统调用这个功能在初始状态下是关闭的，其开关位于IA32_EFER的第0位。这个MSR我们已经见过了，它的编号为0xc0000080。

23.2.2 IA32_STAR

这个MSR的低32位是保留位；第32~47位用于设定syscall使用的0特权级段选择子；第48~63位用于设定sysret使用的3特权级段选择子。

注意，这里没有说设定的是"代码段选择子"，而仅仅是"段选择子"，这是因为选择子的设定有一套比较奇怪的定义：

• 对于第32~47位，其数值本身会被视为0特权级代码段选择子；这个数值加8得到的数值会被视为0特权级数据段选择子
• 对于第48~63位，其数值本身会被视为3特权级兼容模式代码段选择子；这个数值加8得到的数值会被视为3特权级数据段选择子；这个数值加16得到的数值会被视为3特权级IA32-e模式代码段选择子。那么，当执行sysret时，其到底选择哪个代码段呢？这个问题将在下文中讨论

段选择子是描述符索引值左移3位得到的，因此加8即为GDT中的下一个描述符。也就是说，第32~47位设定的是两个连续的段描述符中的第一个；第48~63位设定的是三个连续的段描述符中的第一个。不过，由于我们的操作系统从不使用兼容模式代码段，因此在GDT中并没有定义这个描述符。

这个MSR的编号为0xc0000081。

23.2.3 IA32_LSTAR

这个MSR用于设定系统调用函数的地址，其编号为0xc0000082。

23.2.4 IA32_FMASK

这个MSR用于设定RFLAGS屏蔽掩码。具体来说，当执行syscall时，rflags会变成这样：rflags &= ~IA32_FMASK。在我们的操作系统中，这个MSR用于屏蔽IF位，屏蔽掩码为0x200。

这个MSR的编号为0xc0000084。

23.3 syscall的执行细节

当执行syscall时，CPU会执行以下操作：

• rcx = rip
• r11 = rflags
• cs = IA32_STAR[32:47]
• rip = IA32_LSTAR
• rflags &= ~IA32_FMASK

也就是说，rcx和r11会被syscall使用，它们不能用于传参。此外，syscall不会对rsp做任何处理，这是一个很重要的问题，我们将在下文中讨论。

23.4 sysret的执行细节

当执行sysret时，CPU会执行以下操作：

• rip = rcx
• rflags = r11
• 如果sysret没有64位前缀，则：cs = IA32_STAR[48:63]；否则：cs = IA32_STAR[48:63] + 16

也就是说：

1. 操作系统需要保护rcx与r11
2. sysret需要具有64位前缀

上述第1点将在下文中讨论；第2点在nasm中可使用o64 sysret实现。

23.5 系统调用的实现

请看本章代码23/Syscall.h。

第3行，声明了syscallInit函数。这个函数是用汇编语言实现的。

接下来，请看本章代码23/Syscall.s。

第15~18行，将IA32_EFER的第0位置1，打开快速系统调用功能。

第20~23行，设定IA32_STAR。在GDT中，3号描述符是0特权级代码段，4号描述符是0特权级数据段，这两个段描述符对应于IA32_STAR的第32~47位；5号描述符是3特权级数据段，6号描述符是3特权级代码段，没有兼容模式代码段，因此，这里应强行将4号描述符安装到IA32_STAR的第48~63位，使得5号和6号描述符处于正确的位置。

第25~29行，将系统调用函数syscallHandle的地址安装到IA32_LSTAR。

第31~34行，将屏蔽掩码0x200安装到IA32_FMASK。

至此，快速系统调用准备完毕。

syscallHandle函数为系统调用函数。在32位操作系统中，系统调用由中断实现，中断发生时，CPU会自动切换到0特权级栈，由于0特权级栈是操作系统提供的，所以能够保证它的安全。那么，什么叫"安全的栈"？如果不切换栈，到底有什么问题？请看下例：

void test()
{
    char s[] = "666";
    __asm__ __volatile__("syscall");
}

将这段代码翻译成汇编语言，可以是：

test:
	mov dword [rsp - 4], '666'
	syscall
	ret

可以发现：这个函数的rsp是没有也不需要实际减去4的，但如果将这样的rsp提供给系统调用函数使用，就是错误的，因为系统调用函数不知道栈到底应该怎么用。这就是不安全栈带来的问题，因此，在系统调用时，切换到一个安全的栈是有必要的。

然而，syscall不会自动切换栈，我们需要手动完成这个操作。0特权级栈在TSS中，TSS的地址是0xffff800000092000，但想要使用这个地址，就必须先用一个寄存器周转64位立即数。用哪个寄存器呢？无关乎ABI，似乎用哪个都不完美。此时，我们之前设定的IA32_GS_BASE派上了用场，使用gs就可以直接操作TSS了。不仅如此，我们的操作系统的TSS是延长到128字节的，104字节以后的一小段内存可用于在换栈前备份当前的rsp。至此，换栈问题就完美解决了。

第44行，将rsp备份到[TSS + 104]。

第45行，切换到0特权级栈。

第47~48行，保护rcx与r11。现在的栈是安全的，可以放心使用。

第50~51行，调用rax指定的函数。

第53~54行，恢复rcx与r11。

第56行，恢复3特权级栈。

第58行，从快速系统调用返回。

第60~63行，定义了系统调用表。1号系统调用保留给后续章节使用。

接下来，请看本章代码23/Start.s。

_start函数是3特权级任务的真正入口，其用于使任务在结束后自动退出。

23.6 编译与测试

本章代码23/Makefile增加了Syscall.s与Start.s的编译与链接命令。

本章代码23/Kernel.c与23/Test.c测试了0与2号系统调用。