Socket与系统调用深度分析

一、Socket接口在用户态通过系统调用机制进入内核；

• 内核态：控制计算机的硬件资源，并提供上层应用程序运行的环境。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。
• 用户态：上层应用程序的活动空间，应用程序的执行必须依托于内核提供的资源。此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。
• 系统调用：为了使上层应用能够访问到这些资源，内核为上层应用提供访问的接口。

　　三者之间的关系：用户态下的应用程序，通过系统调用的方式，访问内核态中的资源。

　　Socket API ：socket可以看成是用户进程与内核网络协议栈的编程接口。TCP/IP协议的底层部分已经被内核实现了，而应用层是用户需要实现的，这部分程序工作在用户空间。用户空间的程序需要通过套接字来访问内核网络协议栈。

　　Socket接口在用户态通过系统调用机制进入内核的过程为：

　　用户态下的应用程序通过Socket API 请求系统调用，从而进入内核态访问内核中的TCP/IP的底层协议栈。

二、内核中将系统调用作为一个特殊的中断来处理

　　系统调用被称为软中断，是应用程序主动进入内核的方式，是借助于中断异常机制实现的。有一条特殊指令，使得用户态和内核态得以切换（在linux中为 int 0x80）。

　　

　　系统调用过程：

• 中断异常机制：硬件保护现场，查询中断向量表，cpu控制权转移至系统调用总入口程序。
• 系统调用总入口程序：保存现场，把参数保存到内核的堆栈中，查询系统调用表，将cpu控制权转交给相应内核函数
• 执行系统调用例程
• 恢复现场，返回用户进程

　　以socket相关系统调用为例进行分析

　　反汇编menu目录下的init文件，共有5处int $0x80的汇编指令，其中一处如图所示：

　　验证了内核中将系统调用作为一个特殊的中断来处理。

　　

 　　验证 x86-64位系统下的系统调用初始化过程：start_kernel --> trap_init --> cpu_init --> syscall_init

　　进入menu目录，修改Makefile文件，并执行 make rootfs #打开menuos 。

　　　　

 　　在linux-5.0.1目录下，打开一个新的终端，执行命令如下：

gdb
file vmlinux
target remote:1234
b start_kernel
b trap_init
b cpu_init
b syscall_init

　　设置断点成功，验证了x86-64位系统下的系统调用初始化过程。

　　

 

　　三、Socket 调用初步分析

　　使用gdb跟踪replyhi的执行过程。

　　在menu目录下执行 make rootfs 启动 memuos。

　　在linux-5.0.1目录下打开新的终端，执行命令，如下：

gdb
file vmlinux
target remote:1234
b __sys_socket
b __sys_bind
b __sys_listen
b __sys_shutdown

 　　即：进入gdb模式，加载vmlinux，用target remote：1234和menuos连接，在__sys_listen处设置断点，按c执行下去，在menuos中输入replyhi 但获取不到断点。。。。

　　

　　发现是Makefile设置错误，修正后，运行结果如下：

　　

　　可见在replyhi 执行过程中，调用了socket()、bind()、listen()等api 。