システムコール

システムコール（英えい: system call、日にち: システム呼出よびだし^[1]^[2]^[3]）とは、オペレーティングシステム (OS)（より明確めいかくに言いえばOSのカーネル）の機能きのうを呼よび出だすために使用しようされる機構きこうのこと。実際じっさいのプログラミングにおいては、OSの機能きのうは関数かんすう (API) 呼よび出だしによって実現じつげんされるので、OSの備そなえる関数かんすう (API) のことを指さすこともある。なお、μみゅーITRONではサービスコールと呼よばれる。また、OSのことをスーパーバイザとも呼よぶため、スーパーバイザコールともいう。

例たとえば、C言語げんごで使用しようできるfopen()やmalloc()などのライブラリ関数かんすうは、その関数かんすう内ないにおいてシステムコール（例たとえばPOSIX準拠じゅんきょのOSであればopen()やsbrk()など）を呼よび出だす。

背景はいけい

現代げんだいのプロセッサは一般いっぱんにいくつかの特権とっけん状態じょうたいで命令めいれいを実行じっこうする。2つのレベルを持もつシステムでは、これを通常つうじょうユーザーモードとスーパーバイザーモードと呼よぶ。このような特権とっけんレベルがあるのは、セキュリティと安定あんてい性せいを保たもつためにオペレーティングシステムがその管理かんり下かで動作どうさするプログラムによる操作そうさを制限せいげんできるようにするためである。そのような制限せいげんを受うける操作そうさとしては、ハードウェア機器ききへのアクセス、割わり込こみの可か/不可ふかの変更へんこう、プロセッサの特権とっけん状態じょうたいの変更へんこう、メモリ管理かんりユニットへのアクセスなどがある。オペレーティングシステムのカーネルはスーパーバイザーモードで動作どうさし、ユーザーアプリケーションはユーザーモードで動作どうさする。

このような複数ふくすうの特権とっけんレベルを持もつシステムを開発かいはつするにあたって、低ひくい特権とっけんレベルから高たかい特権とっけんレベルへ制御せいぎょを安全あんぜんに転送てんそうする機構きこうが必要ひつようとなった。低ひくい特権とっけんレベルのコードが単純たんじゅんに高たかい特権とっけんレベルに移行いこうしたのではセキュリティと安定あんてい性せいは保たもてない。例たとえば、低ひくい特権とっけんレベルのコードが高たかい特権とっけんレベルのコードに間違まちがった処理しょりをさせたり、不正ふせいなコールスタックを渡わたすかもしれない。

機構きこう

システムコールは、多おおくの場合ばあい、専用せんよう命令めいれい（インテルはPentium II以降いこう, ARMは最初さいしょから）もしくはソフトウェア割わり込こみによって実行じっこうされる。CPUの動作どうさモードを遷移せんいさせることによって、通常つうじょうのアプリケーションプログラムからはアクセスできない保護ほごされたメモリ領域りょういきにアクセスすることや、保護ほごされたレジスタを操作そうさすること、また、自みずからCPUの動作どうさモードを変更へんこうすることなどが可能かのうになる。

システムコールは特殊とくしゅな命令めいれいを使つかうことが多おおく、それによってCPUは高たかい特権とっけんレベルのコードに制御せいぎょを渡わたす。具体ぐたい的てきな方法ほうほうはシステムに依存いぞんするが、例外れいがいや割わり込こみを発生はっせいさせることで高たかい特権とっけんレベルに移行いこうしたり、特殊とくしゅな分岐ぶんき命令めいれいで高たかい特権とっけんレベルに移行いこうしたりする。このときにシステムコールの種別しゅべつを示しめす番号ばんごうや引数ひきすうがレジスタやコールスタックに格納かくのうされていて、高たかい特権とっけんレベルのコード（カーネル）がそれを使用しようして処理しょりを行おこなう。

システムコールが呼よび出だされたとき、呼よび出だしたプログラムは中断ちゅうだんされ、後あとで処理しょりを続行ぞっこうするために必要ひつような情報じょうほう（コンテキスト）が保存ほぞんされる。そしてプロセッサが高たかい特権とっけんレベルのコードを実行じっこうし、上述じょうじゅつのシステムコールの番号ばんごうや引数ひきすうを調しらべ、必要ひつような処理しょりを行おこなう。この際さいに呼よび出だし側がわのアクセス権けんなども考慮こうりょして指定していされたシステムコールを実行じっこうする権利けんりがあるかどうかがチェックされる。完了かんりょうすると呼よび出だし側がわプログラムに復帰ふっきするため、保存ほぞんされていた状態じょうたい情報じょうほうをリストアし、プログラムの処理しょりが続行ぞっこうされる。このとき所定しょていのレジスタ（あるいはスタックの所定しょていの位置いち）にリターン値ちが設定せっていされる。

多おおくの場合ばあい、プログラムへの復帰ふっきが即座そくざに行おこなわれない可能かのう性せいがあることに注意ちゅういが必要ひつようである。システムコールでは時間じかんのかかるI/O処理しょりをすることがあり（例たとえばディスクやネットワークへのアクセス）、プログラムは中断ちゅうだんされ（「ブロック」状態じょうたい）、その処理しょりが完了かんりょうするまで「実行じっこう可能かのう」キューに置おかれる。必要ひつような処理しょりが完了かんりょうすると、オペレーティングシステムはそれを実行じっこうの候補こうほとして扱あつかう。

中ちゅう間あいだ層そうとしてのライブラリ

一般いっぱんにオペレーティングシステムはユーザープログラムとオペレーティングシステムの中間ちゅうかんに位置いちするライブラリを提供ていきょうしている。標準ひょうじゅんCライブラリを実装じっそうしたもの（あるいは同等どうとうの機能きのうをもつもの）が多おおい。このライブラリ内ないで実際じっさいのシステムコール（カーネルへ渡わたす情報じょうほうの設定せっていや特権とっけんモードへの移行いこう）が行おこなわれたり、特権とっけんレベルの処理しょりを必要ひつようとしない様々さまざまなデータ処理しょりが行おこなわれる。これにより、オペレーティングシステムとアプリケーションの繋つながりが緩ゆるめられ、アプリケーションの移植いしょく性せいが高たかまっていると言いえる。特とくにダイナミックリンクライブラリ (.dll) であれば、システムコール処理しょり部分ぶぶんが実行じっこう時じにリンクされるため、アプリケーションの実行じっこうファイルをそのまま他たのオペレーティングシステム上じょうで実行じっこうできる可能かのう性せいが高たかまる。

Exokernelに基もとづいたシステムでは、ライブラリが特とくに重要じゅうようである。Exokernelは非常ひじょうに低ひくいレベルのカーネルAPIしか提供ていきょうせず、LibOSと呼よばれるライブラリが抽象ちゅうしょう化かやリソース管理かんりの機能きのうを提供ていきょうしている。