为什么系统调用时要把一些寄存器保存到内核栈又从内核栈恢复？
想象一下，你正在处理一项很紧急的工作，突然老板（这里的老板就是“用户空间程序”）打断了你，让你去做一件他交代的事情（“系统调用”）。这件老板交代的事情非常重要，需要你暂时放下手头的工作，全神贯注地去做。但是，你不能丢了你原本正在做的那些工作，万一老板交代的事情很快就完成了，你还得接着做原先的工作。
这就是为什么在进行系统调用时，需要把一些寄存器保存到内核栈，然后再从内核栈恢复。寄存器就像是你工作时手边放着的文件、工具，是你当前正在处理的最核心的信息。
为什么需要“保存”？
工作现场的保护： 当你从用户空间（你的“工作台”）切换到内核空间（老板那里，一个更高级、更受保护的区域）去处理系统调用时，内核需要知道你之前在做什么。如果内核在处理系统调用的过程中，直接使用了你手边的那些寄存器，那寄存器里存放的你原本的工作信息就丢失了。就好比老板突然让你帮他写一份报告，如果你直接拿走你手边正在写的那个关键文件的笔和纸，你原来那份工作就没法继续了。
上下文的切换： 系统调用的本质是从一个执行环境（用户空间）切换到另一个执行环境（内核空间）。在这个切换过程中，你需要将当前用户空间的“状态”妥善保管起来，以便在内核调用完成后，能够准确无误地恢复到原来的状态，接着执行用户的指令。寄存器是CPU最直接的计算和数据存储部件，它们的状态就是当前程序执行的“现场”。
不同权限的隔离： 用户空间程序运行在较低的权限级别，而内核空间运行在最高的权限级别。内核空间可以直接访问和管理所有硬件资源，包括内存。如果用户空间程序随意修改内核空间的寄存器，那将是灾难性的。所以，内核在进入时，必须“收起”用户空间的寄存器，以免被意外覆盖或误用。
为什么要用“内核栈”？
隔离与安全： 内核栈是内核为处理系统调用和中断预留的独立空间。它与用户空间的栈是完全隔离的。这确保了即使用户空间的栈出现了问题（比如栈溢出），也不会影响到内核的正常运行。想象一下，老板给你一份新任务，你不能在他的办公室里乱翻他的文件，也不能用他的纸笔来写你的东西，你得有自己的专属笔记本和笔。
可预测的内存区域： 内核栈提供了一个可预测、安全的内存区域来保存这些临时的上下文信息。内核可以精确地控制这个栈的大小和访问方式，防止越界访问或其他安全隐患。
支持嵌套调用（在某些情况下）： 虽然系统调用本身不是典型的函数嵌套，但内核在处理系统调用时，可能还需要执行其他内部函数或处理中断。内核栈能够很好地支持这种层层叠加的调用过程，确保每个调用的现场都能被正确保存和恢复。
具体过程是什么样的？（一个更详细的“故事”）
1. 用户空间发起系统调用： 用户空间程序执行一条特殊的指令（比如 `SYSCALL` 或 `INT 0x80`，具体取决于架构）。这条指令会触发一个从用户模式到内核模式的切换。
2. CPU 保存一部分关键信息： 在进行模式切换时，CPU硬件会自动做一些保护性的操作，比如：
将当前的代码段选择子、指令指针（`RIP`/`EIP`）等保存到内核栈上，这样内核就知道从哪里回来。
将当前的用户空间栈指针（`RSP`/`ESP`）也保存起来，因为内核之后需要切换到自己的栈。
根据系统调用的类型，会将一个标识符（系统调用号）以及传入的参数（通常放在寄存器里）也一并传递给内核。
3. 内核接管，保存用户寄存器： 当CPU切换到内核模式，执行进入内核的入口点后，内核的代码就开始工作了。此时，内核会“主动”地将用户空间程序正在使用的一系列通用寄存器（比如`RAX`, `RBX`, `RCX`, `RDX`, `RSI`, `RDI`, `RBP`, `R8`到`R15`等）的值，一个接一个地推入（push）到当前正在使用的内核栈上。
为什么是推入？ 推入操作会将寄存器的值压入栈顶，并向下移动栈指针。这就像把文件一件件堆叠起来，最上面的文件是最后放进去的，也是最先拿出来的。
4. 内核执行系统调用处理： 现在，用户空间的寄存器已经被安全地保存在内核栈上了，内核可以放心地使用这些寄存器来执行它自己的任务了，比如根据系统调用号找到对应的处理函数，从内核栈中获取参数，访问硬件，修改数据等。
5. 系统调用完成，准备返回： 当内核完成了系统调用的工作后，它会准备返回到用户空间。
6. 从内核栈恢复用户寄存器： 内核会按照相反的顺序（就像你堆东西，拿的时候总是先拿最上面的）将之前保存在内核栈上的用户空间寄存器值，从内核栈上弹出（pop）出来，并一一恢复到对应的寄存器中。
为什么要相反的顺序？ 这是栈的特性。最后压入的数据，最先弹出。如果顺序颠倒了，寄存器就会被恢复成错误的值，导致用户程序行为异常。
7. CPU 执行返回指令，切换回用户空间： 最后，内核执行一条特殊的返回指令（比如 `SYSEXIT` 或 `IRET`）。这条指令会让CPU知道，内核工作结束了，要回到之前保存的用户空间状态继续执行。CPU会根据之前保存在内核栈上的信息（比如用户空间的指令指针、栈指针等），自动地进行一次从内核模式到用户模式的切换，并将控制权交还给用户空间程序。
总结一下就是：
系统调用就像是用户程序向内核“请求服务”。为了保证这项服务能在不影响用户程序原有工作的前提下顺利完成，内核需要先“保管好”用户程序当前正在使用的所有关键工作信息（寄存器里的数据），以免被覆盖或弄乱。内核栈就是这个“保管箱”，它提供了安全、独立的存储空间。当服务完成后，内核再把这些信息从“保管箱”里取出来，恢复到用户程序的寄存器中，让用户程序能够无缝地继续它之前被打断的工作。这整个过程就像是精密的手术，每一个步骤都必须精确无误，才能保证系统的稳定和安全。
这就是为什么在进行系统调用时，需要把一些寄存器保存到内核栈，然后再从内核栈恢复。寄存器就像是你工作时手边放着的文件、工具，是你当前正在处理的最核心的信息。
为什么需要“保存”？
工作现场的保护： 当你从用户空间（你的“工作台”）切换到内核空间（老板那里，一个更高级、更受保护的区域）去处理系统调用时，内核需要知道你之前在做什么。如果内核在处理系统调用的过程中，直接使用了你手边的那些寄存器，那寄存器里存放的你原本的工作信息就丢失了。就好比老板突然让你帮他写一份报告，如果你直接拿走你手边正在写的那个关键文件的笔和纸，你原来那份工作就没法继续了。
上下文的切换： 系统调用的本质是从一个执行环境（用户空间）切换到另一个执行环境（内核空间）。在这个切换过程中，你需要将当前用户空间的“状态”妥善保管起来，以便在内核调用完成后，能够准确无误地恢复到原来的状态，接着执行用户的指令。寄存器是CPU最直接的计算和数据存储部件，它们的状态就是当前程序执行的“现场”。
不同权限的隔离： 用户空间程序运行在较低的权限级别，而内核空间运行在最高的权限级别。内核空间可以直接访问和管理所有硬件资源，包括内存。如果用户空间程序随意修改内核空间的寄存器，那将是灾难性的。所以，内核在进入时，必须“收起”用户空间的寄存器，以免被意外覆盖或误用。
为什么要用“内核栈”？
隔离与安全： 内核栈是内核为处理系统调用和中断预留的独立空间。它与用户空间的栈是完全隔离的。这确保了即使用户空间的栈出现了问题（比如栈溢出），也不会影响到内核的正常运行。想象一下，老板给你一份新任务，你不能在他的办公室里乱翻他的文件，也不能用他的纸笔来写你的东西，你得有自己的专属笔记本和笔。
可预测的内存区域： 内核栈提供了一个可预测、安全的内存区域来保存这些临时的上下文信息。内核可以精确地控制这个栈的大小和访问方式，防止越界访问或其他安全隐患。
支持嵌套调用（在某些情况下）： 虽然系统调用本身不是典型的函数嵌套，但内核在处理系统调用时，可能还需要执行其他内部函数或处理中断。内核栈能够很好地支持这种层层叠加的调用过程，确保每个调用的现场都能被正确保存和恢复。
具体过程是什么样的？（一个更详细的“故事”）
1. 用户空间发起系统调用： 用户空间程序执行一条特殊的指令（比如 `SYSCALL` 或 `INT 0x80`，具体取决于架构）。这条指令会触发一个从用户模式到内核模式的切换。
2. CPU 保存一部分关键信息： 在进行模式切换时，CPU硬件会自动做一些保护性的操作，比如：
将当前的代码段选择子、指令指针（`RIP`/`EIP`）等保存到内核栈上，这样内核就知道从哪里回来。
将当前的用户空间栈指针（`RSP`/`ESP`）也保存起来，因为内核之后需要切换到自己的栈。
根据系统调用的类型，会将一个标识符（系统调用号）以及传入的参数（通常放在寄存器里）也一并传递给内核。
3. 内核接管，保存用户寄存器： 当CPU切换到内核模式，执行进入内核的入口点后，内核的代码就开始工作了。此时，内核会“主动”地将用户空间程序正在使用的一系列通用寄存器（比如`RAX`, `RBX`, `RCX`, `RDX`, `RSI`, `RDI`, `RBP`, `R8`到`R15`等）的值，一个接一个地推入（push）到当前正在使用的内核栈上。
为什么是推入？ 推入操作会将寄存器的值压入栈顶，并向下移动栈指针。这就像把文件一件件堆叠起来，最上面的文件是最后放进去的，也是最先拿出来的。
4. 内核执行系统调用处理： 现在，用户空间的寄存器已经被安全地保存在内核栈上了，内核可以放心地使用这些寄存器来执行它自己的任务了，比如根据系统调用号找到对应的处理函数，从内核栈中获取参数，访问硬件，修改数据等。
5. 系统调用完成，准备返回： 当内核完成了系统调用的工作后，它会准备返回到用户空间。
6. 从内核栈恢复用户寄存器： 内核会按照相反的顺序（就像你堆东西，拿的时候总是先拿最上面的）将之前保存在内核栈上的用户空间寄存器值，从内核栈上弹出（pop）出来，并一一恢复到对应的寄存器中。
为什么要相反的顺序？ 这是栈的特性。最后压入的数据，最先弹出。如果顺序颠倒了，寄存器就会被恢复成错误的值，导致用户程序行为异常。
7. CPU 执行返回指令，切换回用户空间： 最后，内核执行一条特殊的返回指令（比如 `SYSEXIT` 或 `IRET`）。这条指令会让CPU知道，内核工作结束了，要回到之前保存的用户空间状态继续执行。CPU会根据之前保存在内核栈上的信息（比如用户空间的指令指针、栈指针等），自动地进行一次从内核模式到用户模式的切换，并将控制权交还给用户空间程序。
总结一下就是：
系统调用就像是用户程序向内核“请求服务”。为了保证这项服务能在不影响用户程序原有工作的前提下顺利完成，内核需要先“保管好”用户程序当前正在使用的所有关键工作信息（寄存器里的数据），以免被覆盖或弄乱。内核栈就是这个“保管箱”，它提供了安全、独立的存储空间。当服务完成后，内核再把这些信息从“保管箱”里取出来，恢复到用户程序的寄存器中，让用户程序能够无缝地继续它之前被打断的工作。这整个过程就像是精密的手术，每一个步骤都必须精确无误，才能保证系统的稳定和安全。
网友意见
题主的两个问题：
1. 为什么要保存寄存器？
因为函数调用就是要保存寄存器，这是ABI要求的，比如通常情况下ESI/EDI需要被调用者保护，所以系统调用如果用了寄存器，肯定是要保护的。
如果题主问的是：为什么要保存所有寄存器？原因有两个：一个是为了安全，因为即使那些不需要保护的寄存器，在运行时的改动都可能包含内核的信息，这对于内核来说，并不够安全，用户层的代码可能会通过这些寄存器反推出一些内核的信息（入口地址等等）；另一个原因是历史习惯，因为早年的时候系统调用走的是软中断，软中断和硬中断某些入口代码是一致的，因为中断可能发生在代码的任何位置，所以必须要保存全部寄存器，所以系统调用的软中断也继承了这种方式。
2. 为什么是内核栈？
因为用户栈不可靠。操作系统的一个基本的设计原则就是尽量不要再内核里崩溃，那么这种情况下，如果用户栈即将溢出，那么用户代码产生一次系统调用，内核如果用用户栈保存数据（不切换SS）就会导致内核崩溃，而且用户也不清楚系统调用的栈开销，稳妥的方式是用内核栈（用户不可见，内核可见，内核可控）。
那么如果在系统调用之前就用用户栈保存，这样就没有内核层面的栈溢出风险了，这样好不好？答案是不好，因为用户层的代码是不受内核保护的，这就给第三方程序恶意程序（甚至就是这个用户程序逐级）一个机会去修改调用栈，虽然崩溃的不会是内核，但用户层面会崩溃，风险也大。而且，确实有一些小众的操作系统这么干，但不算主流。
况且万一内核就是希望访问某个寄存器，这个寄存器又恰好在用户栈，直接访问用户栈的风险太大。
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