X86-64 on 大飞的博客

从零写OS（三十）：对齐 Linux syscall ABI，让 musl libc 能跑起来

Fri, 22 May 2026 01:00:00 +0000

musl libc 编译出来的程序会直接用 syscall 指令，传的是 Linux x86-64 标准调用号。我们之前的调用号是自己编的，如果不对齐，musl 程序一个 syscall 都跑不通。这一章把内核的 syscall 接口全面对齐 Linux ABI。

Linux x86-64 syscall 约定

Linux 的 x86-64 syscall 约定：

调用：rax=syscall号，rdi=a1，rsi=a2，rdx=a3，r10=a4，r8=a5，r9=a6
返回：rax（负数表示错误，如 -ENOENT = -2）
CPU 自动保存：rcx=用户 rip，r11=用户 rflags

注意第 4 个参数是 r10，不是 rcx。原因是 syscall 指令会把用户 rip 存进 rcx，所以 r10 顶替了 rcx 的位置。这一点非常容易踩坑。

关键改动

1. syscall 号全部换成 Linux 标准

之前的调用号是自己定义的，现在全部换成 Linux 标准值：

功能	之前	现在
read	6	0
write	1	1 ✓
open	5	2
close	7	3
fork	3	57
exit	2	60
kill	12	62

write 碰巧没变，其他大部分都不一样。

从零写OS（二十四）：signal 信号机制

Thu, 14 May 2026 04:00:00 +0000

到目前为止，进程只能顺序跑完，没有"被打断"的能力。按 Ctrl+C 没有反应，子进程崩溃父进程不知道，kill 命令更无从谈起。

这一章实现 signal——内核向进程发送异步通知的机制。

信号是什么

信号是一个整数编号，内核用它告诉进程"发生了某件事"：

信号	编号	默认行为
SIGUSR1	10	终止
SIGKILL	9	终止（不可捕获）
SIGTERM	15	终止
SIGCHLD	17	忽略

进程可以用 signal(sig, handler) 注册自定义处理函数，也可以接受默认行为。

关键：信号不立刻打断进程

信号发送时只是设置一个 pending 位，不立刻跳转。等进程下次从内核态返回用户态时，才检查并派发：

SYS_KILL → pending_signals |= (1 << sig)

syscall 处理完 → 准备 sysret
                    ↓
          检查 pending_signals
                    ↓
        有信号 → 操纵 user_rip/user_rsp → sysret 跳到 handler
        handler 执行完 ret → 回到原来被中断的位置

这和硬件中断不同——硬件中断可以在任意时刻打断 CPU，信号只在内核→用户的切换点才生效。

派发机制（trampoline）

signal_dispatch 收到两个指针：内核栈上保存的 user_rip（原来准备 sysret 到的地址）和 user_rsp。它做的事：

1. user_rsp -= 8
2. *(user_rsp) = user_rip    // 原返回地址压到用户栈
3. user_rip = handler_addr   // sysret 改跳到 handler

sysret 跳到 handler，handler 执行完 ret，弹出用户栈上的原 rip，回到 kill syscall 之后继续。

从零写OS（二十三）：procfs 进程文件系统

Thu, 14 May 2026 03:00:00 +0000

上一章有了 pipe 和 fd，现在进程可以互相传数据了。但还有一个问题：用户程序没有办法查询"系统里现在有哪些进程"——这类信息只存在内核里，外面拿不到。

加专用 syscall 当然可以，但 Linux 选择了一个更优雅的方案：procfs。

一切皆文件

procfs 的思路是：把内核状态伪装成文件，挂在 /proc/ 目录下。

/proc/0/status   → 进程 0 的信息
/proc/1/status   → 进程 1 的信息

用户程序用完全一样的 open/read/close 就能读到，不需要学新 API：

int fd = open("/proc/1/status");
read(fd, buf, 128);
// buf 里是 "pid: 1\nstate: running\nparent: 0\n"

这就是 Linux “一切皆文件” 哲学的体现——统一接口，背后实现可以完全不同。

虚拟文件和真实文件的区别

普通文件的 read：从磁盘读数据。

procfs 文件的 read：内核现场生成内容，没有磁盘，没有 inode，数据就是 procs[] 数组里的字段格式化出来的字符串。

open("/proc/1/status")
  → vfs_open 识别 "/proc/" 前缀
  → procfs_open 解析 pid，格式化状态字符串存入内核 buf
  → 返回 VFile（type=VFILE_PROC）

read(fd, buf, len)
  → vfs_read 识别 VFILE_PROC
  → 从内核 buf 按 offset 拷贝给用户

实现

procfs 内核结构

typedef struct {
    int      used;
    uint32_t pid;
    char     buf[256];   // open 时格式化好的字符串
    uint32_t buf_len;
    uint32_t offset;     // 支持分段 read
} proc_fd_t;

open 时一次性生成完整字符串，后续 read 只是按 offset 切片拷贝——和普通文件行为完全一致，可以多次 read。

从零写OS（二十二）：管道 pipe 与 dup2

Thu, 14 May 2026 02:00:00 +0000

上一章实现了文件描述符，进程可以用 open/read/close 访问 ext2 文件。但两个进程之间还没有办法通信。shell pipeline cmd1 | cmd2 的本质是：cmd1 的输出直接流进 cmd2 的输入，中间不落磁盘。

这一章实现 pipe 和 dup2，打通进程间通信的最小路径。

pipe 是什么

pipe 是内核里的一块环形字节缓冲区。系统调用 pipe(fds) 返回两个文件描述符：

fds[0] = 读端    fds[1] = 写端

写进程 → fds[1] → [内核 ring buffer 256字节] → fds[0] → 读进程

和普通文件一样，管道也走 fd → VFS → 底层数据这三层，只不过底层数据不是磁盘，而是内核里的 pipe_t。

dup2 是什么

dup2(oldfd, newfd) 让 newfd 指向和 oldfd 同一个内核文件描述符，如果 newfd 已经打开则先关掉它。

shell pipeline 的核心操作就是 dup2 + exec：

// 子进程（cmd1），stdout → pipe 写端
dup2(fds[1], 1);
close(fds[0]);
close(fds[1]);
exec("cmd1");    // cmd1 以为自己在写 stdout，实际写进了管道

// 父进程（cmd2），stdin → pipe 读端
dup2(fds[0], 0);
close(fds[0]);
close(fds[1]);   // 关掉写端，否则 cmd2 永远等不到 EOF
exec("cmd2");

pipe 的 EOF 语义

read 管道什么时候返回 0（EOF）？

从零写OS（二十一）：文件描述符 fd

Thu, 14 May 2026 01:00:00 +0000

前几章的用户程序如果想读文件，得直接传 inode 号给内核——read(ino, offset, buf, len)。这意味着用户程序要自己记当前读到哪了，而且根本不知道文件名，只有一个数字。

这一章引入 文件描述符（fd），让用户程序用熟悉的方式操作文件：

int fd = open("hello.txt");
int n  = read(fd, buf, 64);
close(fd);

fd 是什么

fd 是一个进程内的整数，通常从 0 开始分配（0=stdin，1=stdout，2=stderr，之后是普通文件）。

它背后有三层：

进程 fd_table[]          内核 open_file             磁盘
  fd=3  ──────────→   { ino=42, offset=0 }  ──→  hello.txt
  fd=4  ──────────→   { ino=43, offset=0 }  ──→  readme.txt

fd 本身只是下标，真正存 offset 的是内核里的"打开文件"结构。这样的好处：

offset 由内核自动推进，用户不用管
fork 后父子可以共享同一个打开文件（共享 offset）
文件、管道、设备用同一套接口，背后实现不同

实现：每个进程一张 fd 表

在 process_t 里加一个数组：

typedef struct {
    // ...
    int32_t fd_table[PROC_MAX_FD];  // fd → vfs_fd，-1 表示空槽
} process_t;

fd_table[fd] 存的是 VFS 层的内部 fd（VFile 数组下标）。

从零写OS（二十）：wait / exit 完整语义

Wed, 13 May 2026 00:00:00 +0000

上一章实现了 exec()，用户程序能跑起来了。但进程退出时只是把进程表项清掉，父进程拿不到退出码，也没有办法等待。这一章实现完整的 exit / wait 语义。

为什么进程退出后不能直接消失

直觉上，进程退出就应该立刻清掉进程表项。但这里有个问题：父进程怎么拿到子进程的退出码？

如果进程表项直接清掉，退出码就丢了。父进程调用 wait() 的时机可能比子进程 exit() 晚，也可能早——无论哪种情况，父进程都需要能读到那个退出码。

Linux 的解法是引入**僵尸（zombie）**状态：进程 exit() 后不立即消失，保留退出码，等父进程 wait() 读取后才彻底释放。

这就是为什么 ps 输出里偶尔会出现状态为 Z 的进程——它已经退出了，只是在等父进程来"收尸"。

进程状态机的变化

原来进程只有三个状态：UNUSED、READY、RUNNING。这一章加两个：

UNUSED → READY → RUNNING
                    ↓ exit()
                 ZOMBIE   ← 已退出，等父进程 wait
                    ↑ 唤醒
                 BLOCKED  ← 父进程 wait 时挂起

调度器只挑 READY 的进程运行，ZOMBIE 和 BLOCKED 自然就不会被调度到，不需要改调度器的逻辑。

exit 和 wait 的实现思路

exit 做三件事：

把退出码存到进程表项，状态改为 ZOMBIE
如果父进程正在 BLOCKED 等待，把它改回 READY（唤醒）
切回内核栈和内核页表，hlt 循环等待被回收

wait 做的事：

扫描进程表，找有没有自己的子进程且状态是 ZOMBIE
找到了：读退出码，把它设为 UNUSED，返回退出码
没找到但有活着的子进程：挂起等待（ring3）或返回 -2 让调用方重试（ring0）
没有子进程：返回 -1

parent_pid 需要在 exec / fork 时记下来，这样 exit 才知道该唤醒谁，wait 才知道哪些进程是自己的子进程。

从零写OS（十九）：exec 与用户程序

Sat, 09 May 2026 00:00:00 +0000

之前所有代码都跑在内核态（ring0）。这一章第一次让用户程序在 ring3 里运行——加载 ELF 文件，跳到用户态执行，用户程序通过 syscall 和内核通信。

这是操作系统最核心的一个边界：内核和用户程序之间的隔离。

exec 做什么

exec 的语义是"用一个新程序替换当前进程"：

从文件系统读 ELF 文件
解析 ELF header，找到各个段的加载地址
创建新的用户页表，把各段加载进去
分配用户栈
设置进程的 rip = 入口地址，rsp = 栈顶，cs/ss = 用户段，放入就绪队列

调度器下次选中这个进程，就会跳到用户态开始执行。

进入用户态：iretq

第一次进入用户态不能用 sysret——没有对应的 syscall。用 iretq：

static void enter_usermode(uint64_t rip, uint64_t cs,
                            uint64_t rflags, uint64_t rsp, uint64_t ss) {
    __asm__ volatile(
        "push %4\n"   // ss
        "push %3\n"   // rsp
        "push %2\n"   // rflags（IF=1，开中断）
        "push %1\n"   // cs（0x23，ring3 代码段）
        "push %0\n"   // rip（entry point）
        "iretq"
        :: "r"(rip), "r"(cs), "r"(rflags), "r"(rsp), "r"(ss)
    );
}

iretq 弹出这 5 个字段，CPU 检查 cs 的 RPL 发现是 ring3，自动完成特权级切换。

从零写OS（十八）：fork 与 Copy-on-Write

Fri, 08 May 2026 00:00:00 +0000

上一章每个进程有了自己的地址空间。这一章实现 fork()——创建一个子进程，继承父进程的全部内存。

最朴素的 fork 实现

fork 的语义是"完整复制当前进程"。最直接的做法：遍历父进程页表，找到每一个物理页，分配新页，复制 4096 字节内容，给子进程建新映射。

能用，但很浪费。大多数 fork() 之后会紧接着 exec()——旧内存根本用不上，全拷了白拷。进程堆如果有几十 MB，每次 fork 都要等好几毫秒。

Copy-on-Write：先共享，写了再分

CoW 的思路是：fork 时不复制，让父子共享同一批物理页；等到谁要写，再给他一份新的。

实现上分两步：

第一步：fork 时打标记

遍历父进程用户页表，对每一页做两件事：

清掉 WRITABLE 位，变成只读
打上 PAGE_COW 标志（借用 x86 页表的 bit 9，这一位 CPU 不使用，留给软件自定义）

子进程页表复制同一个物理页地址，同样只读 + CoW。

fork 后：
  父进程 → PT → 物理页 0xA000  (只读, CoW)
                    ↑ 共享
  子进程 → PT → 物理页 0xA000  (只读, CoW)

注意一个关键细节：PDPT/PD/PT 这三级结构页必须为子进程单独分配。如果父子共用同一棵结构树，后续 vmm_map_page 修改子进程时会把父进程的 PT 一起改掉，隔离失效。数据页可以共享，结构页不能。

另一个细节：改完父进程页表后必须刷新 TLB。否则 CPU 缓存里还是旧的可写映射，父进程写该页不会触发 fault，CoW 形同虚设。

从零写OS（十七）：每个进程有自己的地址空间

Thu, 07 May 2026 00:00:00 +0000

前几章的进程共享同一张页表——所有进程看到的是同一片内存。这意味着进程 A 知道进程 B 的地址，就能直接读写它的数据。一个 bug 就能破坏整个系统。

这一章解决这个问题：给每个进程一张自己的页表，互相看不见彼此的内存。

切换页表就是切换世界

x86-64 的虚拟地址翻译规则写在页表里，页表的根地址放在 CR3 寄存器里。

这意味着：写 CR3 就是切换地址空间。进程 A 跑的时候 CR3 指向 A 的页表，进程 B 跑的时候 CR3 指向 B 的页表。同一个虚拟地址 0x400000，在 A 里翻译到物理页 X，在 B 里翻译到物理页 Y——两边完全隔离，互不干扰。

切换进程时，只需要一行：

void vmm_switch(uint64_t *pml4) {
    __asm__ volatile ("mov %0, %%cr3" :: "r"((uint64_t)pml4) : "memory");
}

硬件帮我们做了全部翻译工作。

创建新页表

每个进程需要自己的 PML4。但不能从空白开始——内核代码的映射必须保留，否则切过去之后 CPU 取不到内核指令，立刻 Page Fault。

做法：把内核的 kernel_pml4 整张复制一份作为起点，然后再往里加用户空间的映射。

uint64_t *vmm_create_page_table() {
    uint64_t *new_pml4 = (uint64_t *)pmm_alloc();
    for (int i = 0; i < 512; i++)
        new_pml4[i] = kernel_pml4[i];  // 继承内核映射
    return new_pml4;
}

往指定页表里建映射

之前的 map_page 只能操作当前 CR3 指向的页表。现在需要给进程建映射，但不想先切换过去，所以新接口接受一个显式的 pml4 参数：