什么是系统调用

程序被关在围栏里（用户态）

前面讲过，操作系统筑起墙，不让程序互相侵占对方的内存。同样的墙也挡在硬件前面。普通程序不能直接伸手去碰磁盘，不能直接在屏幕上点亮一个点，也不能直接摆弄网络设备。
这种被关在围栏里的状态，叫作用户态。
看起来憋屈，却有道理。要是随便哪个程序都能直接摆弄硬件，一个错误百出或者心怀恶意的程序，就可能把整台电脑搞垮。

点按钮，程序就直接伸手去碰磁盘。中间的墙变红，把它挡了回来：处于用户态的程序不能直接触碰硬件。

每次直接伸手都会被挡住，从安全角度看理所当然。
可这就怪了。我们每天用的程序，明明能正常打开文件、显示照片、连上网络。既然被关着，这些事它是怎么办到的？
秘密在于：它不自己动手，而是去请求。

办法：到正式窗口去请求（系统调用）

去银行时，我们不会自己走进金库，而是在窗口递上一张申请单，由握着钥匙的职员替我们办理。
程序也是这样。它自己打不开磁盘，就到操作系统的窗口去请求：“帮我打开这个文件”“把这些字显示到屏幕上”“把这个通过网络发出去”。这样递给操作系统的每一个请求，都叫作系统调用。
关键在于，程序不自己干活，而是让操作系统去干，因为只有操作系统才有权碰硬件。

点按钮，程序（金色）就请操作系统窗口（蓝色）“打开文件”，操作系统替它到磁盘上办好，再把结果交回来（绿色）。程序自始至终没有直接碰到磁盘。

到窗口一请求，原本办不成的事就办成了。程序仍在围栏里，却借着操作系统这个代理人，办成了外面的事。
可有一点耐人寻味：同样一块磁盘，为什么程序去碰就被挡住，操作系统去碰就可以？
在越过窗口的那一瞬间，一定有什么切换了。

越过窗口，权限就切换（用户态 ↔ 内核态）

秘密在于，CPU 有两种模式。一种是我们的程序所在、能力受限的用户态；另一种是操作系统的内核态，在那里硬件和其他一切都碰得到。
程序平时在用户态里运行。系统调用越过窗口的那一刻，CPU 短暂切换到内核态。操作系统凭着这份强大的权限办好所请求的事，一办完就立即切回用户态，把结果交给程序。
强大的力量只在处理请求的那一刻、而且只通过这个窗口授予，随后马上收回。

点一次按钮，系统调用越过窗口，操作系统在内核态（蓝色）里处理请求；再点一次，就回到用户态（金色），拿到结果。

模式短暂切换、又切回来，这一趟短短的往返正是操作系统安全的核心。强大的力量不会一直开着，只在请求到来的那一刻打开，随即关上。
可还剩一个疑问：要是只要越过窗口，操作系统就照吩咐全都照办，那和程序直接碰硬件到底有什么区别？
所以窗口还有一件事要做：检查。

窗口只有一个，才能检查（权限确认）

要是操作系统一接到请求就不问不查、全部照办，窗口就只是一条过道。可操作系统不会这样做。
因为所有请求都必须经过这一个窗口，操作系统可以在动手之前先检查：“这个程序有权读这个文件吗？”上一课看到的权限确认，正是在这里进行的。
有权限就办理，没有就拒绝并返回错误。一个窄窄的窗口，就成了所有危险操作都必须经过的关卡。

从三个请求里选一个送到窗口。操作系统检查权限：读我的文件、输出到屏幕会被办理（绿色），写朋友的文件则被拒绝，并返回错误（红色）。

被允许的请求通过了，被禁止的请求在门口被拦下。窗口窄，并不是不方便，反而是一道安全装置。
既然所有危险操作都要经过同一个地方，规则只要在那一处守住就行。
现在，可以把用户态的围栏、作为请求的系统调用、短暂的内核态，以及窗口处的检查串成一条线了。

小结：串成一条线的往返，以及窗口背后的内核

把整个过程串成一条线，就是这样：程序在用户态的围栏里运行，碰不到硬件；需要什么，就通过系统调用到正式窗口去请求。
越过窗口的那一刻，CPU 短暂切换到内核态，操作系统先检查权限，再办理事情；办完后切回用户态，把结果交回去。
所以，系统调用就是连接程序与操作系统力量的唯一一道严密把守的门。打开文件、在屏幕上点亮一个点、往网上发送点什么，这一切都悄悄经过这道门。

按顺序点五个步骤，往返一圈就依次亮起：程序、系统调用、内核态与权限检查、处理事情、返回结果。五格全亮，一圈就走完了。

那么，在窗口背后，用内核态的强大力量真正把事情办好的，是谁？操作系统最深处的中心，握着全部权限、直接和硬件打交道的那一部分，有一个名字：内核。说到底，系统调用就是发给内核的请求。
下一课，我们终于要正面认识内核。到目前为止看到的调度、内存、文件、权限和窗口，究竟都在谁的手里运转，到时会在一处看清楚。