Llamadas al sistema

En un UNIX monolítico, una llamada al sistema salta al núcleo y el núcleo hace el trabajo. En Ixolo casi todas las llamadas POSIX son mensajes. El envoltorio de la libc rellena un mensaje y lo envía a un servidor en espacio de usuario: PM para procesos y señales, VFS para ficheros y sockets, VM para la memoria, y algunos más. El núcleo ofrece un conjunto mucho menor de llamadas al núcleo (kernel calls), que solo pueden usar servidores y drivers.

Esta página relaciona el primer grupo con sus servidores y enumera el segundo. Los nombres salen de dos cabeceras de devel: minix/include/minix/callnr.h (números de llamada de PM y VFS) y minix/include/minix/com.h (llamadas al núcleo, VM, IPC y MIB). Para el mecanismo de mensajes en sí, mira paso de mensajes.

Parte 1: llamadas POSIX y sus servidores

Servidor	Fuente	Se ocupa de
PM, gestor de procesos	minix/servers/pm	Procesos, hilos, señales, identidades, relojes y temporizadores, peticiones de planificación
VFS, sistema de ficheros virtual	minix/servers/vfs	Ficheros, directorios, descriptores, tuberías, dispositivos, montajes, select, kqueue, sockets
VM, memoria virtual	minix/servers/vm	brk, mmap y compañía, límites del espacio de direcciones
IPC	minix/servers/ipc	Memoria compartida y semáforos de System V, colas de mensajes y semáforos POSIX
MIB	minix/servers/mib	sysctl

Una llamada suele implicar a más de un servidor. fork va a PM, y PM pide luego a VM que copie el espacio de direcciones y a VFS que copie la tabla de descriptores. Un mmap de un fichero va a VM, que pide el fichero a VFS.

PM: procesos, señales y tiempo

Grupo	Llamadas
Procesos	fork, execve, _exit, wait4/waitpid, waitid, getpid/getppid, ptrace, reboot, getrusage
Hilos	_lwp_create, _lwp_exit, _lwp_self, _lwp_wait, _lwp_park, _lwp_unpark, _lwp_wakeup, _lwp_kill, _lwp_detach (las usa libpthread)
Identidad	setuid/seteuid/setgid/setegid, setresuid/setresgid, getresuid/getresgid, getgroups/setgroups, issetugid
Sesiones y control de trabajos	setsid, getsid, setpgid, getpgid, getpgrp
Señales	kill, sigaction, sigprocmask, sigpending, sigsuspend, sigaltstack, sigreturn, sigqueue, sigtimedwait/sigwaitinfo/sigwait
Relojes y temporizadores	clock_gettime/clock_settime/clock_getres, gettimeofday, setitimer/getitimer (y alarm), timer_create/timer_settime/timer_gettime/timer_getoverrun/timer_delete
Planificación	getpriority/setpriority (nice), sched_yield, sched_setscheduler/sched_setparam y sus versiones get, sched_setaffinity_np/sched_getaffinity_np; protección y herencia de prioridad de mutex para libpthread
Contexto de máquina	getcontext/setcontext

PM no decide la planificación. Pasa estas peticiones al servidor SCHED, que fija prioridades y CPU a través del núcleo.

VFS: ficheros, descriptores y sockets

Grupo	Llamadas
Llamadas con ruta	openat, fstatat, mkdirat, mknodat, unlinkat, linkat, renameat, symlinkat, readlinkat, fchmodat, fchownat, faccessat, utimensat. Las clásicas open, stat, mkdir, unlink… son estas mismas con AT_FDCWD.
E/S	read, write, pread, pwrite, lseek, ioctl, getdents
Descriptores	close, fcntl (también dup y dup2), pipe2, umask, flock, bloqueos de registros mediante fcntl
Estado del fichero	fstat, fchmod, fchown, truncate/ftruncate, posix_fallocate, fsync (también fdatasync), sync, chflags/fchflags, la familia extattr_* (y las ACL construidas sobre ella)
Directorios y montajes	chdir, fchdir, chroot, statvfs1/fstatvfs1, getvfsstat; el montaje va por las funciones propias de MINIX minix_mount/minix_umount, que usan mount(1) y umount(1)
Espera	select (y pselect), kqueue1, kevent. La libc construye poll sobre select, y también nanosleep.
Sockets	socket, socketpair, bind, connect, listen, accept (y accept4/paccept), sendto, sendmsg, recvfrom, recvmsg, setsockopt, getsockopt, getsockname, getpeername, shutdown

VFS pasa las operaciones de fichero al servidor del sistema de ficheros que lo contiene (MFS, ext2, vfat, tmpfs…) y las de dispositivo al driver. Los sockets los reenvía a un driver de sockets: lwip atiende PF_INET, PF_INET6, PF_ROUTE y PF_LINK; uds atiende PF_UNIX.

La memoria compartida POSIX (shm_open, shm_unlink) son ficheros normales en un tmpfs montado en /var/shm, así que pasa por VFS como cualquier fichero.

VM: memoria

Llamada	Notas
brk/sbrk	El heap clásico
mmap, munmap	Proyecciones anónimas y de ficheros. Las proyecciones MAP_SHARED de escritura funcionan en MFS y tmpfs; otros sistemas de ficheros devuelven ENODEV.
mprotect, msync	Nuevas en Ixolo
getrlimit/setrlimit	VM aplica RLIMIT_AS y RLIMIT_DATA. Los demás límites los responde la propia libc, con valores fijos.

mlock, munlock, mlockall y munlockall existen en la libc. Comprueban argumentos y permisos, pero no fijan páginas en memoria.

Servidor IPC: IPC de System V y POSIX

Grupo	Llamadas
Memoria compartida System V	shmget, shmat, shmdt, shmctl
Semáforos System V	semget, semctl, semop
Colas de mensajes POSIX	mq_open, mq_close, mq_unlink, mq_send/mq_timedsend, mq_receive/mq_timedreceive, mq_getattr/mq_setattr, mq_notify
Semáforos POSIX	sem_open, sem_close, sem_unlink, y sem_init con pshared (los semáforos locales al proceso se quedan en libpthread)
Objetos pthread compartidos entre procesos	Colas de espera de mutex, variables de condición, rwlocks y barreras PTHREAD_PROCESS_SHARED

Las colas de mensajes de System V (msgget, msgsnd, msgrcv, msgctl) no están implementadas.

MIB y el resto

• MIB responde a sysctl. La libc construye otras llamadas encima; uname, por ejemplo, lee sus campos con sysctl.
• AIO de POSIX (aio_read, aio_write, aio_fsync, aio_error, aio_return, aio_cancel, aio_suspend, lio_listio) vive en librt y no tiene servidor propio. Un grupo de hilos atiende cada petición con pread o pwrite.
• clock_nanosleep está construida en la libc sobre nanosleep.

Novedades desde el fork

MINIX 3 original (último commit, noviembre de 2018) no tiene ninguna de estas como llamada a un servidor. Se añadieron en el camino hacia Ixolo:

Área	Llamadas
Hilos (amd64)	_lwp_* en PM, para que libpthread use hilos reales planificados por el núcleo
Llamadas con ruta	La familia *at. Se quitaron los números antiguos VFS_OPEN, VFS_STAT…, lo que rompió la ABI.
Ficheros	pread/pwrite, flock, posix_fallocate, chflags, extattr_*
Notificación de eventos	kqueue1/kevent
Control de procesos	waitid, setpgid/getpgid con control de trabajos real, setresuid/setresgid
Señales	sigaltstack, señales de tiempo real, sigqueue, sigtimedwait
Temporizadores y planificación	timer_*, relojes de tiempo de CPU, sched_* con SCHED_FIFO/SCHED_RR, afinidad de CPU
Memoria	mprotect, msync, RLIMIT_AS/RLIMIT_DATA
IPC	Colas de mensajes POSIX, semáforos con nombre y compartidos entre procesos, objetos pthread compartidos
Biblioteca	AIO de POSIX en una librt nueva

VFS también tiene una llamada swapctl para el swap en disco, pero la libc aún no tiene el envoltorio swapctl() y no existe la herramienta swapon.

Parte 2: llamadas al núcleo

Los servidores y drivers hablan con el núcleo a través de la tarea SYSTEM, con llamadas al núcleo. Sus números empiezan en KERNEL_CALL (0x600) en com.h. Los drivers las usan mediante los envoltorios sys_* de minix/lib/libsys. El núcleo las despacha en minix/kernel/system.c, con un manejador por fichero en minix/kernel/system/.

Cada proceso solo puede usar las llamadas que permite su estructura de privilegios. Para un servicio, esa lista sale de su entrada en /etc/system.conf (mira system.conf(5)). Todo proceso de sistema recibe un conjunto básico: SYS_EXIT, SYS_SAFECOPYFROM, SYS_SAFECOPYTO, SYS_VSAFECOPY, SYS_GETINFO, SYS_TIMES, SYS_SETALARM, SYS_SETGRANT, SYS_DIAGCTL, SYS_STATECTL y SYS_SAFEMEMSET.

Grupo	Llamadas al núcleo	Quién las usa
Gestión de procesos	SYS_FORK, SYS_EXEC, SYS_CLEAR, SYS_EXIT, SYS_PRIVCTL, SYS_TRACE, SYS_RUNCTL, SYS_GETMCONTEXT, SYS_SETMCONTEXT, SYS_UPDATE, SYS_STATECTL	PM, RS (privilegios, actualización en caliente)
Señales	SYS_KILL, SYS_GETKSIG, SYS_ENDKSIG, SYS_SIGSEND, SYS_SIGRETURN	PM, y los servidores que generan señales
Copia entre espacios de direcciones	SYS_SAFECOPYFROM, SYS_SAFECOPYTO, SYS_VSAFECOPY, SYS_SETGRANT, SYS_SAFEMEMSET	Todos los servidores y drivers
Memoria (privilegiadas)	SYS_VIRCOPY, SYS_PHYSCOPY, SYS_MEMSET, SYS_UMAP, SYS_UMAP_REMOTE, SYS_VUMAP, SYS_VMCTL	VM; los drivers usan SYS_VUMAP para DMA
E/S e interrupciones	SYS_IRQCTL, SYS_DEVIO, SYS_VDEVIO, SYS_SDEVIO, SYS_IOPENABLE, SYS_READBIOS	Drivers de dispositivo
Tiempo	SYS_TIMES, SYS_SETALARM, SYS_STIME, SYS_SETTIME, SYS_VTIMER	PM, drivers
Planificación	SYS_SCHEDULE, SYS_SCHEDCTL	SCHED
Información y depuración	SYS_GETINFO, SYS_DIAGCTL, SYS_SPROF, SYS_ABORT	Muchos; SYS_ABORT apaga el sistema
Solo ARM	SYS_PADCONF	No se usa en amd64

Las copias seguras son la norma. Un proceso no puede nombrar directamente la memoria de otro. Crea un grant en su propia tabla de grants, y el otro lado copia a través de él con SYS_SAFECOPYFROM o SYS_SAFECOPYTO. Las llamadas sin esa protección, SYS_VIRCOPY y SYS_PHYSCOPY, son para VM y unos pocos servicios privilegiados.

Llamadas solo de x86. SYS_DEVIO, SYS_VDEVIO, SYS_SDEVIO, SYS_IOPENABLE y SYS_READBIOS existen solo en i386 y amd64, porque trabajan con los puertos de E/S de x86 y la zona de la BIOS. En amd64 sus manejadores están en minix/kernel/arch/x86_64/.

Qué cambió con amd64 y SMP

El conjunto de llamadas al núcleo es el mismo que en MINIX 3 original: el fork no añadió ningún número SYS_* nuevo. En su lugar, amplió algunas:

• SYS_IRQCTL tiene una petición nueva, IRQ_SETPOLICY_MSI, que reserva un vector MSI o MSI-X. El driver NVMe usa MSI-X.
• SYS_GETINFO tiene una petición nueva, GET_IPCTRAFFIC, que lee y pone a cero un histograma por proceso de las CPU de las que le llegan mensajes. SCHED lo usa para colocar en la misma CPU los servidores que más hablan entre sí.
• SYS_VMCTL lleva raíces de tablas de páginas y direcciones de 64 bits, para las tablas de páginas de 4 niveles y el espacio de usuario de 47 bits.
• En SMP, SYS_SCHEDULE recibe la CPU en la que debe ejecutarse un proceso: así aplica SCHED la afinidad de CPU. SYS_GETINFO con GET_CPUINFO y GET_CPUTICKS informa de datos por CPU. No hay ninguna llamada al núcleo exclusiva de SMP.

Las notas de diseño de SMP describen el lado del núcleo.

Una referencia más antigua

La wiki original tiene una página de la API del núcleo, https://wiki.minix3.org/doku.php?id=developersguide:kernelapi. Describe MINIX 3 tal como era en la década de 2010: sirve de contexto, pero comprueba nombres y campos con com.h en devel.