上一篇提到，一般程式通常在 User Mode 下執行，不能隨意存取硬體或執行具有高權限的操作。

但問題也跟著來了：

既然 User Mode 權限受到限制，程式到底怎麼使用 Kernel 提供的功能？
今天就讓我們來看System Call（系統呼叫）

1. 從一個 read() 開始

假設今天想從一個已經開啟的檔案讀取資料，在系統中可能會看到：

char buffer[100];
ssize_t n = read(fd, buffer, 100);

從 fd 所代表的檔案讀取最多 100 bytes，放進 buffer。
但 read() 本身不能直接繞過作業系統去控制磁碟。
所以真正需要讀取資料時，必須向 Kernel 請求服務。

User Program
│
▼
read()
│
▼
System Call
│
──── User Mode / Kernel Mode ────
│
▼ 
Kernel
│ 
▼ 
File System / Device

所以 System Call 可以理解成是 User Program 向 Kernel 請求服務的受控制介面。

2. Function Call 和 System Call 不一樣

兩者其實有很大的差別。
一般的 Function Call，例如：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

呼叫 add() 時，程式仍然在 User Mode 中執行。

但 System Call 不一樣。

當程式需要 Kernel 提供服務時，CPU 必須透過處理器提供的特定機制，從 User Mode 進入 Kernel Mode，並開始執行 Kernel 中對應的處理程式。
所以：

Function Call 
User Mode ──── add() ────> User Mode

System Call 
User Mode ──── system call ────> Kernel Mode

3.進入 Kernel 之後發生什麼？

當 CPU 透過 System Call 的入口進入 Kernel Mode 後，Kernel 就可以開始處理這次請求。
以：

read(fd, buffer, 100);

為例。這裡其實傳入了幾個資訊：

fd：要讀取哪一個已開啟的檔案或其他 I/O 物件？
buffer：資料讀出來之後，要放到 User Space 的哪個位置？
100：最多希望讀取多少 bytes？

Kernel 收到要求之後，並不是直接跑去磁碟「拿 100 bytes 回來」。
它首先需要檢查這次請求。
例如 fd 是否有效、目前是否允許從這個檔案描述符讀取，以及程式提供的 buffer 是否能安全地接收資料。

接著，Kernel 才會根據 fd 找到它所代表的已開啟物件，並繼續處理讀取要求。

read(fd, buffer, size) 
│ 
▼ 進入 Kernel 
│ 
▼ 
檢查參數 
│ 
▼ 
找到 fd 對應的物件 
│ 
▼ 
取得需要的資料 
│ 
▼ 
將資料複製到 User Space 的 buffer 
│ 
▼ 
回傳讀取結果 
│ 
▼ 
回到 User Mode

那「取得需要的資料」又是什麼意思？

資料不一定每次都需要真的從磁碟重新讀取，如果需要的檔案資料已經存在 Kernel 管理的 cache 中，就可能直接從 cache 取得(Cache Hit)；如果資料還不在記憶體中，才可能需要進一步進行 I/O (Cache Miss)。
而 I/O 的速度相對 CPU 慢很多，所以如果這次讀取必須等待，正在執行的 Thread 可能暫時無法繼續執行。OS 就有機會先讓 CPU 去處理其他工作。

等資料準備完成後，Kernel 再把資料提供給 User Program。

所以看似只有一行的：read(fd, buffer, 100);
背後其實包含了權限切換、參數檢查、Kernel 內部的檔案處理、可能的 I/O，以及資料回傳等一連串工作。

這也是 System Call 和普通 Function Call 很不一樣的地方。

今天的結論

User Mode 到底怎麼進入 Kernel？

一般程式不能直接跳進 Kernel 任意執行程式碼，而是必須透過 CPU 與 OS 所定義的 System Call 機制，從受到控制的入口切換成 Kernel。

但除了 System Call 之外，CPU 執行程式時還可能突然被其他事件打斷。
例如鍵盤輸入、硬體完成 I/O
這些情況又是怎麼讓 CPU 停下原本的工作，把控制權交給 Kernel？

下一篇就來拆這三個很容易搞混的東西：

Day 3｜Interrupt、Exception、Trap 到底差在哪？