2. 系统调用号与表：系统调用号的定义、sys_call_table 结构、系统调用表的初始化

系统调用是用户空间程序请求内核服务的唯一合法入口。在内核内部，每个系统调用都有一个唯一的数字标识符——系统调用号，以及一张用于分发的核心跳转表——sys_call_table。本章深入分析系统调用号的分配机制、sys_call_table 的数据结构定义以及内核初始化阶段如何构建这张表。

2.1 系统调用号的定义与分配

系统调用号是一个无符号整数（通常为 unsigned long 或 int），在 asm/unistd.h 或 uapi/asm-generic/unistd.h 中通过宏定义。每个架构维护自己的编号空间，x86-64 与 ARM64 的编号并不相同。

2.1.1 系统调用号定义示例（x86-64）

// arch/x86/include/generated/uapi/asm/unistd_64.h
#define __NR_read               0
#define __NR_write              1
#define __NR_open               2
#define __NR_close              3
#define __NR_stat               4
#define __NR_fstat              5
// ...
#define __NR_execve             59
#define __NR_exit               60
#define __NR_clone              56
// ...
#define __NR_syscalls_x64       547  // 当前 x86-64 系统调用总数

2.1.2 系统调用号分配规则

2.2 sys_call_table 结构

sys_call_table 是内核中一个函数指针数组，数组下标对应系统调用号，数组元素为对应系统调用处理函数的地址。这张表是系统调用分发机制的核心数据结构。

2.2.1 数据结构定义

// arch/x86/entry/syscall_64.c
asmlinkage const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscalls_x64] = {
    [0 ... __NR_syscalls_x64 - 1] = &sys_ni_syscall,
#include <asm/syscalls_64.h>
};

关键点解析：

• 数组类型：sys_call_ptr_t 是一个函数指针类型，定义为 typedef long (*sys_call_ptr_t)(const struct pt_regs *);
• 数组大小：__NR_syscalls_x64 为当前架构支持的系统调用总数。
• 默认填充：所有未使用的表项初始化为 sys_ni_syscall（未实现系统调用桩函数，返回 -ENOSYS）。
• 头文件注入：asm/syscalls_64.h 由脚本生成，包含所有系统调用处理函数的 extern 声明和数组初始化项。

2.2.2 sys_call_table 内存布局

2.3 系统调用表的初始化

系统调用表的初始化发生在内核编译阶段和启动早期。整个过程分为三个层次：编译时填充、启动时校验、运行时动态更新（仅限特定架构）。

2.3.1 编译时初始化

内核通过 syscalltbl.sh 脚本从系统调用列表文件（如 syscalls/x86/syscall_64.tbl）自动生成 asm/syscalls_64.h。该头文件包含所有系统调用处理函数的 extern 声明和数组初始化项。

// 生成的 asm/syscalls_64.h 片段（示意）
extern long sys_read(const struct pt_regs *);
extern long sys_write(const struct pt_regs *);
extern long sys_open(const struct pt_regs *);
// ...

[0] = (sys_call_ptr_t) sys_read,
[1] = (sys_call_ptr_t) sys_write,
[2] = (sys_call_ptr_t) sys_open,
// ...

2.3.2 启动时校验

内核启动过程中，start_kernel() 调用 trap_init() 和 early_irq_init() 后，会执行系统调用表完整性检查：

// kernel/sysctl.c 或 arch/x86/kernel/cpu/common.c
void __init syscall_init(void)
{
    int i;

    // 校验所有表项不为 NULL
    for (i = 0; i < __NR_syscalls_x64; i++) {
        if (sys_call_table[i] == NULL) {
            pr_warn("sys_call_table[%d] is NULL, fixing...\n", i);
            sys_call_table[i] = &sys_ni_syscall;
        }
    }

    // 设置 LSTAR MSR（x86-64 专用）
    wrmsrl(MSR_LSTAR, (unsigned long) entry_SYSCALL_64);
}

2.3.3 初始化流程总览

2.4 架构差异对比

2.5 系统调用号与表的关联关系

用户态通过 syscall 指令（x86-64）或 SVC 指令（ARM64）陷入内核时，rax（x86-64）或 x8（ARM64）寄存器中存放的就是系统调用号。内核入口汇编代码直接使用该编号索引 sys_call_table：

// arch/x86/entry/entry_64.S (简化)
ENTRY(entry_SYSCALL_64)
    swapgs
    movq    %rsp, PER_CPU_VAR(cpu_tss_rw + TSS_sp2)
    /* 保存寄存器上下文 */
    /* ... */
    call    do_syscall_64
    /* 恢复上下文并返回 */
END(entry_SYSCALL_64)

// arch/x86/entry/common.c
static __always_inline void do_syscall_64(struct pt_regs *regs)
{
    unsigned long nr = regs->orig_ax;  // 从寄存器获取系统调用号

    if (nr < __NR_syscalls_x64) {
        regs->ax = sys_call_table[nr](regs);  // 查表并调用
    } else {
        regs->ax = -ENOSYS;  // 无效系统调用号
    }
}

2.6 小结

• 系统调用号是用户态与内核态之间的协议编号，每个架构独立维护，分配后永不改变。
• sys_call_table 是一个函数指针数组，数组下标对应系统调用号，数组元素为处理函数地址。
• 初始化过程分为编译时脚本生成、C 编译器填充、链接时合并、启动时校验四个阶段。
• 架构差异主要体现在编号范围、表定义文件和入口汇编代码上，但核心查表机制一致。
• 安全保护通过只读内存映射防止表被篡改，是内核自我防御的重要一环。