Järjestelmäkutsu

Järjestelmäkutsu eli käyttöjärjestelmäkutsu (, "systeemikutsu") on ohjelmoinnissa sovellusohjelmien käyttämä matalan tason mekanismi käyttöjärjestelmän ytimen tarjoamien palveluiden suorittamiseksi.

Järjestelmäkutsu ei ole suora funktiokutsu kuten sovelluksissa, vaan kutsun on ylitettävä ytimen ja käyttäjäavaruuden välinen jako. Kutsutavat eroavat alustojen ja arkkitehtuurin mukaan.

Käyttöjärjestelmissä voi olla satoja eri järjestelmäfunktioita. Plan 9 -käyttöjärjestelmässä eri järjestelmäfunktioita on vain noin 50 kappaletta. Alkuperäisessä Unix-järjestelmässä oli alle 50 järjestelmäkutsua.

Tyypillisesti järjestelmäkutsut suoritetaan standardikirjaston avulla suoraan kutsumisen sijaan. Järjestelmäkutsu voi olla huomattavasti hitaampaa käyttäjäavaruuden funktiokutsuun verrattuna. Kirjastot kuten glibc toteuttavat kutsujen optimointeja käyttäjäavaruudessa muun muassa vDSO-toiminnolla.

Suorittimet kuten Motorola 68000 tukevat käyttäjämoodia (user-mode) ja kernelimoodia (supervisor-mode), kun taas eräät muut suorittimet käyttävät ohjelmasegmentin tasoa.

Järjestelmäkutsun hitauteen vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa muistiavaruuden vaihdosta seuraavat toiminnot (TLB-tyhjennys) sekä tarve tallettaa ja palauttaa rekisterien tilat (pinon käsittely).

Käyttötapaukset 
Järjestelmäkutsuilla toteutetaan muun muassa seuraavia toimintoja:
 prosessien ja säikeiden käsittely
 muistinhallinta
 levy-IO, tiedostojärjestelmät

Toteutukset 
Intel x86-arkkitehtuuripohjaisissa Linux-järjestelmissä järjestelmäkutsuja voidaan käyttää kahdella tavalla. Perinteinen tapa on käyttää ohjelmistokeskeytystä 80h (tai 0x80, desimaaleina 128), jolloin järjestelmäkutsun numero laitetaan rekisteriin eax ja funktion parametrit rekistereihin ebx - edx. Uudempi ja nopeampi tapa on käyttää suorittimen SYSENTER/SYSEXIT-käskyjä, jotka välttävät keskeytyssignaalin lisäkuorman. 64-bittisessä x86-64-arkkitehtuurissa vastaava kutsu tehdään rekistereillä rax ja rdi - r9, ja käytetään SYSCALL/SYSRET-käskyjä. vDSO-toiminto ja ajonaikainen kirjasto voivat automaattisesti valita suorittimen tukeman toiminnon taaksepäin yhteensopivuuden vuoksi.

MS-DOS-tyyppisissä käyttöjärjestelmissä taas käytetään keskeytystä 21h järjestelmäkutsuun.

FreeBSD käyttää Unix-tyylistä kutsumistapaa ja 80h-keskeytystä, jossa oletetaan että kutsuttu funktio herättää keskeytyksen kutsuvan ohjelman sijaan ja parametrit välitetään pinossa.

Windows NT on käyttänyt laitteistokeskeytystä keskeytysporttien lisäksi sekä 2e-keskeytystä järjestelmäkutsuun.

Esimerkki 
Esimerkki on laadittu assembly-konekielellä Linux-järjestelmään.  Siinä pyydetään käyttöjärjestelmää suorittamaan palvelu sys_close.

mov eax, 6 ; järjestelmäkutsu sys_close(unsigned int fd), sulkee tiedostokahvan
mov ebx, 1 ; tiedostokahva, 1 = stdout
int 80h    ; tee järjestelmäkutsu

Vastaava esimerkki uudemmalla menettelyllä:
mov     $6, %rax  ; järjestelmäkutsun numero
mov     $1, %rdi  ; parametri
syscall           ; tee järjestelmäkutsu

Myös ylemmän tason kielillä voi tehdä järjestelmäkutsuja suoraan:
#include <linux/unistd.h>
#include <sys/syscall.h>

int main()
{
    long pid = syscall(SYS_getpid);
    printf("Prosessinumero on %lx\n", pid);
    return 0;
}

Kirjallisuutta

Lähteet

Aiheesta muualla 
 Linuxin järjestelmäkutsut - Linuxin kernel 2.2:n järjestelmäkutsujen luettelo
 Linuxin järjestelmäkutsut ytimen versiolle 4.7
 How System Calls Work on Linux/i86 
 Unix assembly language programming

Käyttöjärjestelmätekniikka
Käyttöjärjestelmäytimet
Ohjelmointi