[科普中国]-内核支持函数

内核，用来管理软件发出的数据I/O（输入与输出）要求，将这些要求转译为数据处理的指令，交由中央处理器（CPU）及计算机中其他电子组件进行处理，是现代操作系统中最基本的部分。内核支持函数，又称例程，是指只能在内核模式下调用的例程或子程序。主要是为了内核支持函数不被用户程序破坏。

简介在 OS 的核心（内核）中都设置了一组用于实现各种系统功能的子程序(过程)，并将它们提供给应用程序调用，即内核支持函数。由于这些函数是 OS 系统本身程序模块中的一部分，为了保护操作系统程序不被用户程序破坏，一般都不允许用户程序访问操作系统的程序和数据，所以也不允许应用程序采用一般的过程调用方式来直接调用这些过程，而是向应用程序提供了一系列的系统调用命令（即程序接口），让应用程序通过系统调用去调用所需的内核支持函数的过程。

系统调用系统调用（system call），又称为系统调用，指运行在用户空间的程序向操作系统内核请求需要更高权限运行的服务。系统调用提供用户程序与操作系统之间的接口。大多数系统交互式操作需求在内核态运行。如设备IO操作或者进程间通信。系统功能调用：就是用户在程序中使用“访管指令”调用由操作系统提供的子功能集合。其中每一个系统子功能称为一个系统调用命令，也叫广义指令。当应用程序中需要操作系统提供服务时，如请求 I/O 资源或执行 I/O 操作，应用程序必须使用系统调用命令。由操作系统捕获到该命令后，便将 CPU 的状态从用户态转换到系统态，然后执行操作系统中相应的子程序(例程)，完成所需的功能。执行完成后，系统又将CPU 状态从系统态转换到用户态，再继续执行应用程序。可见，系统调用在本质上是应用程序请求 OS 内核完成某功能时的一种过程调用，但它是一种特殊的过程调用，它与一般的过程调用有下述几方面的明显差别：

(1) 运行在不同的系统状态。一般的过程调用，其调用程序和被调用程序都运行在相同的状态——系统态或用户态；而系统调用与一般调用的最大区别就在于：调用程序是运行在用户态，而被调用程序是运行在系统态。

(2) 状态的转换通过软中断进入。由于一般的过程调用并不涉及到系统状态的转换，可直接由调用过程转向被调用过程。但在运行系统调用时，由于调用和被调用过程是工作在不同的系统状态，因而不允许由调用过程直接转向被调用过程。通常都是通过软中断机制，先由用户态转换为系统态，经核心分析后，才能转向相应的系统调用处理子程序。

(3) 返回问题。在采用了抢占式(剥夺)调度方式的系统中，在被调用过程执行完后，要对系统中所有要求运行的进程做优先权分析。当调用进程仍具有最高优先级时，才返回到调用进程继续执行；否则，将引起重新调度，以便让优先权最高的进程优先执行。此时，将把调用进程放入就绪队列。

(4) 嵌套调用。像一般过程一样，系统调用也可以嵌套进行，即在一个被调用过程的执行期间，还可以利用系统调用命令去调用另一个系统调用。当然，每个系统对嵌套调用的深度都有一定的限制，例如最大深度为 6。但一般的过程对嵌套的深度则没有什么限制1。

有关术语程序接口

程序接口是 OS 专门为用户程序设置的，也是用户程序取得 OS 服务的途径。程序接口通常是由各种类型的系统调用所组成的，因而，也可以说，系统调用提供了用户程序和操作系统之间的接口，应用程序通过系统调用实现其与 OS 的通信，并可取得它的服务。系统调用不仅可供所有的应用程序使用， 而且也可供 OS 自身的其它部分，尤其是命令处理程序使用。在每个系统中，通常都有几十条甚至上百条的系统调用，并可根据其功能而把它们划分成若干类。 例如， 有用于进程控制(类)的系统调用和用于文件管理(类)、 设备管理(类)及进程通信等类的系统调用。

系统态和用户态

在计算机系统中，通常运行着两类程序：系统程序和应用程序，为了保证系统程序不被应用程序有意或无意地破坏，为计算机设置了两种状态：系统态(也称为管态或核心态)和用户态(也称为目态)。操作系统在系统态运行，而应用程序只能在用户态运行。在实际运行过程中，处理机会在系统态和用户态间切换。相应地，现代多数操作系统将 CPU 的指令集分为特权指令和非特权指令两类。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所