在探討系統(tǒng)調(diào)用（system call）時，我們首先想到的可能是軟中斷、內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。讓我們從頭開始，重新理解“系統(tǒng)調(diào)用”這個概念。
實際上，系統(tǒng)調(diào)用這個術語有兩種解釋。一些資料將open、read、write、fork等man手冊第二頁的函數(shù)稱為系統(tǒng)調(diào)用，但實際上這些只是真正系統(tǒng)調(diào)用的封裝函數(shù)（wrapper functions），我稱之為廣義上的系統(tǒng)調(diào)用。這些封裝函數(shù)通過軟中斷陷入內(nèi)核態(tài)，然后調(diào)用對應的真正的系統(tǒng)調(diào)用，通常是一一對應的。例如，fork函數(shù)內(nèi)部會調(diào)用sys_fork，而后者才是嚴格意義上的系統(tǒng)調(diào)用，由內(nèi)核提供的服務，我稱之為狹義的系統(tǒng)調(diào)用。
系統(tǒng)調(diào)用的封裝函數(shù)是由glibc實現(xiàn)的，而真正的系統(tǒng)調(diào)用是由內(nèi)核實現(xiàn)的。你可能覺得這有點復雜，讓我們看一下epoll的man手冊，其末尾有一個版本聲明：
翻譯過來就是，linux內(nèi)核的2.5.44版本引入了epoll，而glibc的2.3.2版本開始支持epoll。
這里特別提到glibc的版本，是為了說明即使你的Linux內(nèi)核版本支持epoll系統(tǒng)調(diào)用，但如果你的glibc版本不夠，你仍然無法直接使用以epoll開頭的那些函數(shù)。為什么需要glibc封裝一層呢？主要是因為系統(tǒng)調(diào)用在實際調(diào)用時涉及到一些匯編指令（后文會詳細介紹）。
盡管我已經(jīng)解釋了系統(tǒng)調(diào)用的兩種理解，但還有一點需要注意：（廣義上的）系統(tǒng)調(diào)用的具體實現(xiàn)與內(nèi)核架構有關。我上述描述的過程主要基于Linux，但縱觀整個unix-like操作系統(tǒng)家族，實際上還有不同的聲音。這就引出了單內(nèi)核與微內(nèi)核之爭。
單內(nèi)核與微內(nèi)核的爭論始于1992年，由國外的譚寧邦教授（Tanenbaum）和Linux的發(fā)明者林納斯（Linus）展開。當時林納斯還是一個剛嶄露頭角的小伙子，一年前他曾在校園網(wǎng)上發(fā)布了Linux內(nèi)核。
單內(nèi)核（Monolithic kernel），也稱為宏內(nèi)核，但我認為宏內(nèi)核這個詞可能會引起誤解，所以我將一直使用單內(nèi)核這個術語。Linux就是基于單內(nèi)核的，這是較為傳統(tǒng)的內(nèi)核架構。內(nèi)核提供多種服務，我們常用的文件IO、內(nèi)存管理、網(wǎng)絡相關的系統(tǒng)調(diào)用都在內(nèi)核態(tài)運行，且都在同一地址空間內(nèi)。
譚寧邦教授直言Linux采用單內(nèi)核是在開歷史倒車，是操作系統(tǒng)技術的倒退，回到七十年代。此前他也曾開源一個類Unix的操作系統(tǒng)，名為MINIX，而MINIX基于微內(nèi)核。
微內(nèi)核（Microkernel）提出時間比單內(nèi)核晚，在學術界被視為新興的技術。微內(nèi)核采用模塊化設計，將內(nèi)核功能簡化到最少，只提供基本功能，更多的功能在用戶態(tài)運行，不同服務在不同地址空間運行，常用服務（如IO、內(nèi)存管理）通過IPC調(diào)用組合提供。從這個角度看，微內(nèi)核的擴展性更強，添加新功能無需重新編譯內(nèi)核，且由于內(nèi)核服務間的隔離，使得操作系統(tǒng)更安全，一個服務崩潰不會影響其他服務。但問題也很明顯，大量的IPC會影響性能。
微內(nèi)核的理念與后來大型分布式系統(tǒng)中的SOA、微服務概念不謀而合。然而，歷史并未如期發(fā)展，站在二十一世紀的第三個十年回望，Linux取得了空前的成功。時至今日，無論是MINIX還是其他，鮮有廣泛使用的微內(nèi)核操作系統(tǒng)（去年華為鴻蒙高調(diào)宣布采用單微內(nèi)核架構，我們拭目以待）。當然，Linux的成功與其采用單內(nèi)核架構并無直接關聯(lián)，主要歸功于其出色的開源社區(qū)運營模式（觀點出自《大教堂與集市》）。
譚寧邦教授和林納斯的這場論戰(zhàn)在上世紀90年代引起了巨大反響，雙方陣營都有多位技術大牛加入討論。這場論戰(zhàn)的記錄至今仍常見諸報端。論戰(zhàn)持續(xù)時間很長，從技術本身的爭辯到后來雙方的互相嗆聲，多年后兩人也曾公開表達和解，表示雙方只是技術之爭，不涉及任何私人攻擊。
在這場論戰(zhàn)之前，這位老教授和這位年輕的發(fā)明者其實也有交集。譚寧邦教授曾出版過講解Unix和操作系統(tǒng)的書籍，并隨書附贈了MINIX的源碼。林納斯在發(fā)明Linux之前，確實通過這本書和MINIX的代碼學習了操作系統(tǒng)知識。所以從某種意義上說，譚寧邦教授可以說是林納斯的半個老師。
這場論戰(zhàn)距今已近三十年，是爭是吵，已無需糾結。這里不再展開具體細節(jié)，有興趣的讀者可以在互聯(lián)網(wǎng)上找到當年的蛛絲馬跡。
內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)與CPU的特權等級intel x86 CPU的架構將所運行的指令劃分為4個不同特權等級：ring 0、ring 1、ring 2、ring 3，通常稱為保護環(huán)（protection ring）。從ring 0到ring 3，特權級別依次降低。Linux使用了ring 0和ring 3兩個特權等級。運行在ring 0的程序被稱為內(nèi)核態(tài)（Kernel Space）程序，運行在ring 3的程序被稱為用戶態(tài)（User Space）程序。
圖片來自網(wǎng)絡
系統(tǒng)調(diào)用與軟中斷我們已經(jīng)大致了解了什么是用戶態(tài)，什么是內(nèi)核態(tài)。那么，這與系統(tǒng)調(diào)用有什么關系呢？
請看下一張圖：
圖片來自網(wǎng)絡
可以看到，在用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的邊界上畫著線，這就是系統(tǒng)調(diào)用！也就是說，無論是單內(nèi)核還是微內(nèi)核，運行在用戶態(tài)的應用程序想要使用某些只能在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行的功能，必須通過系統(tǒng)調(diào)用來實現(xiàn)。所以你需要明白：進程從用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)是目的，而使用系統(tǒng)調(diào)用僅僅是達到該目的的手段。因果關系要理清楚。
接下來解釋一下什么是軟中斷。要說軟中斷，先說一下中斷（interrupt），如果你大學時學過《計算機組成與體系結構》這門課，你應該會記得。中斷本身是一個硬件概念，就是打斷CPU，讓其執(zhí)行其他任務，比如鍵盤中斷、打印機中斷、定時器中斷等。軟中斷則是從軟件層面模擬了這一中斷操作。
網(wǎng)上許多資料會提到使用128號軟中斷指令（int 0x80）來使進程從用戶態(tài)陷入內(nèi)核態(tài)，執(zhí)行完畢后使用iret指令返回用戶態(tài)。但這是較為傳統(tǒng)的老方法。隨著CPU（Intel和AMD）的升級，Linux內(nèi)核通常使用快速系統(tǒng)調(diào)用（Fast system calls）的sysenter/syscall指令代替int 0x80，使用sysexit/sysret代替iret。在運行軟中斷指令時，會使用一個寄存器來存儲具體的系統(tǒng)調(diào)用號，例如在Linux上，read和write的系統(tǒng)調(diào)用號分別為0和1。
單內(nèi)核與微內(nèi)核上的系統(tǒng)調(diào)用有什么不同呢？就系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)原理而言，沒有不同。所謂的差異實際上體現(xiàn)在系統(tǒng)調(diào)用的封裝函數(shù)的種類上！前面提到，單內(nèi)核內(nèi)核提供許多服務。以Linux為代表，其系統(tǒng)調(diào)用種類繁多，有三百多種。可以查看：filippo.io/linux-syscal
而微內(nèi)核操作系統(tǒng)，則沒有這么多系統(tǒng)調(diào)用。例如，MINIX實際上只有三個系統(tǒng)調(diào)用（的封裝函數(shù)）：
發(fā)送：_send()接收：_receive()發(fā)收一體：_sendrec()（基于老版本MINIX，最新的MINIX是否擴展了尚不清楚）
這當然不是說MINIX不支持open()、read()、write()和fork()。只是在MINIX系統(tǒng)上，這些功能本質(zhì)上都是通過_send()、_receive()、_sendrec()實現(xiàn)的。所以準確來說，MINIX上與Linux的open()、read()、write()、fork()這些系統(tǒng)調(diào)用封裝函數(shù)對應的，是_send()、_receive()、_sendrec()。
