Syscall (System Call)

📌 Syscall

Syscall (System Call, системный вызов) — основной механизм обращения прикладного ПО к функциям ядра операционной системы: управление файлами, памятью, устройствами, сетями, процессами. Системный вызов обеспечивает безопасный переход из пользовательского режима (User mode) в привилегированный режим (Kernel mode) для выполнения сервисных функций, недоступных напрямую.

🧠 Как работает

Механика системного вызова

Пользовательское приложение готовит параметры для вызова (обычно через регистры или стек).
Генерируется особая инструкция процессора (например, int 0x80, syscall, svc), вызывающая аппаратное переключение в режим ядра (Trap).
Ядро ОС получает номер системного вызова (Syscall Number) и параметры, выполняет необходимую функцию (например, Read, Write, Open, Close, Fork, Exec, Mmap).
Результат возвращается обратно в приложение, выполнение продолжается в пользовательском режиме.

Классический цикл

User Mode: выполняется приложение, генерирует syscall.
Trap/Interrupt: CPU переключает в Kernel Mode.
Kernel Mode: ОС выполняет обработку syscall.
Return: возвращение управления и результата.

Архитектурные детали

Номера системных вызовов фиксируются ABI (см. Syscall table, Syscall, Syscall).
На современных архитектурах есть специализированные инструкции:
- x86: int 0x80, syscall, sysenter
- ARM: svc (Supervisor Call)
- RISC-V: ecall
Стандартный путь: параметры кладутся в определённые регистры (например, rax, rdi, rsi, …), номер syscall — в отдельный регистр.

Схема обработки системного вызова:

flowchart TB
    App["User App"]
    Params["Параметры (регистры/стек)"]
    Trap["Инструкция syscall/trap"]
    Kernel["Kernel (ОС)"]
    Handler["Syscall Handler"]
    Result["Результат"]
    App2["User App (продолжение)"]

    App --> Params
    Params --> Trap
    Trap --> Kernel
    Kernel --> Handler
    Handler --> Result
    Result --> App2

⚙️ Где применяется

Все современные ОС: Linux, Windows, macOS, FreeBSD, RTOS и др.
Вызовы файловой системы (Read, Write, Open, Close), управление процессами (Fork, Exec, Wait), памятью (Mmap, Brk), IPC (Pipe, Socket, Msgqueue), сетевые стеки.
Контроль безопасности: sandbox, ограничения по SELinux, AppArmor, Seccomp.

✅ Преимущества

Изоляция: пользовательский код не может напрямую обращаться к критическим ресурсам — безопасность ядра.
Стандартизация: унифицированный интерфейс работы с ОС и железом.
Гибкость: ядро может контролировать права, фильтровать и логировать вызовы.
Кроссплатформенность: слой совместимости для разных CPU/архитектур.

❌ Недостатки

Задержки: каждый переход между режимами (user↔kernel) увеличивает время отклика (context switch, overhead).
Ограниченная производительность: массовые syscalls (например, read/write в цикле) замедляют I/O heavy приложения.
Платформозависимость: таблица номеров и calling convention меняется между платформами.
Эксплуатация: возможны атаки через некорректные параметры syscall (например, BOF, TOCTOU, race condition).
Ограниченная гибкость: только то, что реализовано в ядре, доступно через syscall-интерфейс.

🔗 Связанные технологии

Kernel, User mode, Kernel mode, Trap, Interrupt, Syscall, Syscall, Syscall table, Mmap, IO, Pipe, Socket, Seccomp, AppArmor, SELinux, RTOS

Резюме

Syscall — фундаментальный механизм взаимодействия приложений и ядра, позволяющий использовать системные ресурсы строго контролируемым образом. Все доступные внешнему коду функции ОС реализованы через syscalls. Переключение режима, защита памяти и контроль доступа обеспечивают безопасность, но влияют на производительность. Для современных OS — это критически важный компонент любой архитектуры.

Примеры кода

Прямой syscall на x86-64 Linux (ассемблер)

section .data
    msg db "Hello, syscall!", 10
    len equ $-msg
 
section .text
    global _start
 
_start:
    mov rax, 1        ; syscall number (sys_write)
    mov rdi, 1        ; file descriptor (stdout)
    mov rsi, msg      ; pointer to message
    mov rdx, len      ; message length
    syscall           ; invoke kernel
 
    mov rax, 60       ; syscall number (sys_exit)
    xor rdi, rdi      ; exit code 0
    syscall

C: использование системного вызова через стандартную библиотеку

#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
 
int main() {
    const char* msg = "Hello, syscall!\n";
    syscall(SYS_write, 1, msg, 15); // SYS_write = номер системного вызова
    return 0;
}

C: чтение списка системных вызовов из /proc

#include <stdio.h>
 
int main() {
    FILE* f = fopen("/proc/sys/kernel/osrelease", "r");
    char buf[256];
    fgets(buf, sizeof(buf), f);
    printf("OS Release: %s", buf);
    fclose(f);
    return 0;
}

Источники: Linux man-pages, Intel® SDM, ARM Architecture Reference Manual, osdev.org, Википедия, kernel.org, habr.com, документация POSIX, исходники glibc/musl.

OpenXF

Explorer