0x01 介绍
在x86体系下，系统调用和中断异常都有着成熟完善的处理方式，且这种方式很久也没有过大的变动了。
不过就在最近，Intel提出了一种新的技术方案，完全革新了现有的系统调用和中断异常的处理机制。
该方案的名称是 fred，全称为 Flexible Return and Event Delivery。
该方案有很多优点，比如说，它性能更好更安全，而且它还把很多操作直接集成到了cpu里。
但我觉得它最好的地方，是它直接统一了系统调用和中断异常的处理方式，这使得内核里的代码变得简洁干净。
目前，fred的相关代码，已经被合并到了linux内核中，下面我们就来看一下，使用一般方式与使用fred方式，在处理系统调用和中断异常上有什么不同。
0x02 系统调用
我们先来看下，使用一般方式与使用fred方式，在处理系统调用上有什么区别。
为了便于理解，我画了下面这张图：
在上图中，左半部分就是使用一般方式来处理系统调用的过程，右半部分就是使用fred方式来处理系统调用的过程。
从上图我们可以看到，系统调用的处理过程，在用户态是没有变化的。
都是先将要执行的系统调用编号，设置到rax寄存器里，然后再将系统调用所需的参数，设置到rdi/rsi等相关寄存器里，最后再使用syscall汇编指令，告诉cpu进入到内核态，开始执行系统调用。
注意，在各种编程语言中，我们并不需要使用上述汇编方式来执行系统调用，编程语言其实都把各种系统调用为我们封装好了，我们只需要调用对应的api就好。
但不管我们使用的是什么编程语言，使用的是什么api，其底层都是使用上述汇编方式来完成系统调用的。
我们接着上图讲。
当系统调用进入到内核态后，使用一般方式和使用fred方式，它们的处理流程就开始发生了变化。
我们先来看下使用一般方式处理系统调用的过程。
当cpu执行syscall汇编指令时，cpu直接进入到内核态，然后从MSR_LSTAR寄存器里，获取用于处理系统调用的入口函数，也就是上图中的entry_SYSCALL_64，然后跳到这个函数开始执行。
在entry_SYSCALL_64函数里，它先使用swapgs汇编指令，设置在内核态下，gs段寄存器的值。
gs段寄存器在内核里是用于获取percup变量的，percpu变量顾名思义，就是对于一个变量来说，每个cpu都有自己的一份内存，这和编程语言中的thread local变量很类似。
在设置完gs段寄存器的值之后，entry_SYSCALL_64函数就把当前使用的栈，切换为进程对应的内核栈，其实也就是修改rsp寄存器的值。
接着，再把原ss/rsp/rflags/cs/rip寄存器里的值，以及系统调用编号，压入到新的内核栈中。
这些操作都是为了保存用户进程的执行状态，有了这些值，我们就可以在后续执行完系统调用，并退出到用户态后，继续执行用户进程syscall汇编指令之后的代码了。
之后，我们又使用PUSH_AND_CLEAR_REGS宏，将所有通用寄存器的值压入到栈中。
这样做的目的，一是释放这些寄存器，使后续代码可以随意使用它们，二是因为这些寄存器的值被保存到了栈中，这样如果后续代码想要访问这些寄存器在此时的值，就可以直接从栈中获取。
那为什么我们需要访问这些寄存器在此时的值呢？
因为最开始我们就说过，系统调用的参数，是被放到这些寄存器里的，所以在后续的处理逻辑里，是需要这些值的。
为了便于后续代码访问栈内存里存放的各寄存器的值，内核定义了一个数据结构 struct pt_regs：
我们可以看到，这个结构体里的各个字段，就和此时我们压入到栈中的各寄存器值是完全对应的。
也就是说，此时，栈寄存器rsp里存放的栈顶地址，就是一个指向struct pt_regs结构体的指针。
在执行完这些压栈操作之后，entry_SYSCALL_64函数里又调用了do_syscall_64函数。
注意，调用这个函数时传入了两个参数，第一个就是struct pt_regs结构体指针，其实也就是rsp寄存器的值，另外一个就是系统调用的编号，它是rax寄存器的值。
这样，do_syscall_64函数相当于就知道了要执行什么系统调用，以及持有了这些系统调用所需的参数。
接着，do_syscall_64函数就根据这些信息，开始执行对应系统调用的真正逻辑了。
在执行完do_syscall_64函数的内部逻辑后，entry_SYSCALL_64函数又使用POP_REGS宏，将栈里保存的通用寄存器的值，弹出到对应的寄存器里。
这里要注意，如果我们在处理系统调用时，改动过栈里的这些通用寄存器的值，那此时POP_REGS宏的作用，就是把这些改动，同步到对应的寄存器里。
改动栈里寄存器值的方式，就是通过传入的struct pt_regs结构体指针，因为该指针指向的struct pt_regs结构体所占内存，就是这块栈内存。
系统调用的结果状态，是通过rax寄存器返回的，do_syscall_64函数在处理完对应的系统调用后，就把结果状态赋值到了regs->rax字段里，而这个字段里的值，就是在此时被赋值到rax寄存器里的。
接着，entry_SYSCALL_64函数根据栈里存放的剩余信息，将栈切换回用户进程使用的栈，然后又使用swapgs汇编指令，将gs段寄存器的值，切换回用户进程使用的值。
最后，使用sysretq汇编指令，告诉cpu从内核态退回到用户态，继续执行用户进程代码。
而具体执行的代码位置，就是之前保存到内核栈里的rip寄存器里的值，其实也就是syscall汇编指令的后续代码。
至此，使用一般方式执行系统调用的过程就结束了。
其实，这整个过程还是比较简单的，主要就是把各寄存器的值压入到栈中，构成一个struct pt_regs结构体，然后调用do_syscall_64函数，并传入struct pt_regs结构体指针，以及系统调用编号，让其处理对应的系统调用。
处理完毕之后，就是各种弹栈操作，最后是执行sysretq退回到用户态，这也表示系统调用执行结束。
接下来我们看一下使用fred方式处理系统调用的过程。
使用fred方式处理系统调用的过程，和使用一般方式的处理过程大部分是类似的，这些类似的部分在上图中我也用 functionally equivalent 箭头标识了出来了，所以这里就不一一讲了，我们只讲一些重点。
在上图中，标红的函数，为内核中处理系统调用的入口函数，也就是内核里的真正代码。
我们可以看到，一般方式的内核入口函数是entry_SYSCALL_64，而fred方式的内核入口函数是asm_fred_entrypoint_user。
另外，还要注意入口函数的位置，一般方式是在进入到内核态后，cpu没有做其他事情，直接就开始执行entry_SYSCALL_64函数。
而fred方式则不然，在进入到内核态后，cpu是先做了很多准备工作，然后才开始执行asm_fred_entrypoint_user函数。
这些准备工作，在一般方式处理系统调用的过程中，都是由内核代码来完成的，而在fred方式下，cpu直接帮我们做好了这一切。
另外一点要注意的是，fred方式退出内核态使用的是ERETU汇编指令，而不是sysretq汇编指令。
ERETU汇编指令更加强大些，它不仅有sysretq汇编指令的功能，还会自动切换回用户进程所使用的栈，以及所使用的gs段寄存器的值。
也就是说，这些逻辑都是在cpu里帮我们实现好了，我们就不用在内核里再实现一遍了。
通过上述内容我们可以看到，fred方式和一般方式最主要的区别，就是把很多内核要做的事，直接集成到了cpu里，这样就使得内核的相关代码变得很简洁。
0x03 中断异常
我们再来看下，使用一般方式与使用fred方式，在处理中断和异常上有什么不同。
为了便于理解，我还是画了一张图：
同样，图的左半部分表示的是一般方式的处理过程，右半部分表示的是fred方式的处理过程。
这张图中，我画了在这两种方式下，时间中断以及除0异常的处理过程，其中红色的，还是表示内核用于处理对应中断和异常的入口函数。
同样的，在用户态，一般方式和fred方式的处理过程是没有什么区别的。
当进入到内核态后，两种方式开始有了一些差异。
一般方式在切换完内核栈，并压入相应的寄存器值到栈中后，是在IDT这个数组里查找该中断或异常的处理函数的。
并且对不同的中断或异常来说，这个处理函数是不同的。
如图中，时间中断的入口函数是asm_sysvec_apic_timer_interrupt，而除0异常的入口函数是asm_exc_divide_error。
fred方式还是和之前处理系统调用一样，在cpu里就直接做了切换gs段寄存器值、切换内核栈、将寄存器值压入栈中等操作，这样我们就不用在内核里再去实现这些逻辑。
此外，和一般处理方式不同，fred方式使用的还是统一的入口函数asm_fred_entrypoint_user，而且这个入口函数，和处理系统调用时使用的入口函数也是一样的。
至于对时间中断和除0异常的分流处理，是在后续fred_entry_from_user函数里完成的，并且如果我们回头看下系统调用的处理过程，会发现系统调用也是在这个函数里分流的。
这个是fred方式和一般处理方式又一重要的区别。
在处理完中断或异常后，要返回用户态时，一般方式和fred方式又有了区别。
一般方式先是做了很多准备工作，比如swapgs，然后再使用iretq汇编指令退出到用户态，而fred方式就只使用了ERETU这个汇编指令，因为这个汇编指令就内置完成了，所有退出到用户态前，要做的准备工作。
注意在结束系统调用时，fred方式使用的也是这个汇编指令。
至此，中断和异常的处理流程就结束了。
以上我们可以看到，一般方式和fred方式处理中断和异常的主要区别，还是fred方式把很多常规操作，都集成到了cpu里。
0x04 总结
上面我们讲了系统调用以及中断异常的处理流程，并且我们也讲了一般方式和fred方式在处理上的区别。
但是我们都是站在系统调用和中断异常各自的角度上来比较的，现在我们结合两者一起看下。
对于一般的处理方式来说，系统调用和中断异常的处理流程是完全不同的，且它们使用的也是不同的入口函数。
而对于fred方式来说，系统调用和中断异常的处理流程是完全一样的，并且它们使用的是统一的入口函数asm_fred_entrypoint_user。
我觉得这是fred方式最大的优势。
另外就是，fred方式把很多常规操作，比如切换gs段寄存器等，都集成到了cpu里，这就使得我们不用在内核代码里，再去实现这些逻辑了，内核代码就变得更加简单干净。
0x05 其他
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