深入理解系统调用

深入理解系统调用

一.实验要求

• 找到一个系统调用, 系统调用号为学号最后两位相同 的系统调用
• 通过汇编指令触发该系统调用
• 通过gdb跟踪该系统调用的内核处理过程
• 重点阅读分析系统调用入口的保存现场, 恢复现场,和系统调用返回, 以及重点关注系统调用过程中内核堆栈状态的变化

二.实验过程

1. 实验准备

• 配置内核选项

  •make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
  •make menuconfig
  •#打开debug相关选项
  •Kernel hacking --->
  •Compile-time checks and compiler options --->
  •[*] Compile the kernel with debug info
  •[*] Provide GDB scripts for kernel debugging
  •[*] Kernel debugging
  •#关闭KASLR，否则会导致打断点失败
  •Processor type and features ---->
  •[] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

配置完成后, 将源码重新编译, 然后运行qemu:

qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

• 制作根文件系统

  • 下载busybox源码

    axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
    tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2
    cd busybox-1.31.1
    

  • 配置

    配置编译成静态链接库

    •Settings --->
    •[*] Build static binary (no shared libs)
    •然后编译安装，默认会安装到源码⽬录下的_install⽬录中。
    •make -j$(nproc) && make install

  • 制作内存根文件系统

    •mkdir rootfs
    •cd rootfs
    •cp ../busybox-1.31.1/_install/* ./ -rf
    •mkdir dev proc sys home
    •sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

  • 准备测试脚本

    •准备init脚本⽂件放在根⽂件系统跟⽬录下（rootfs/init），添加如下内容到init⽂件。

    #!/bin/sh
    mount -t proc none /proc
    mount -t sysfs none /sys
    echo "Wellcome MengningOS!"
    echo "--------------------"
    cd home
    /bin/sh
    

    •给init脚本添加可执⾏权限
    chmod +x init

  • 打包根文件系统 , 测试

    find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz
    

    测试挂载根⽂件系统，看内核启动完成后是否执⾏init脚本

    qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage-initrd rootfs.cpio.gz
    

  可以看到我们的脚本 已经顺利的被打包到根文件系统中运行了

  

2. 调试75号系统调用

   我的学号后两位是75, 查看系统调用表

   arch/x86/syscalls/syscall_64.tbl

   

该系统调用的功能 是将数据刷新到磁盘上面

fdatasync:

Linux的文件存储的是将数据和文件信息inode 分别存储的，在inode中保存了如：名称、文件大小size、修改时间、访问时间等信息我们称作metadata元数据。数据和文件信息inode在物理上是分开存储的，innode修改时需要一次磁盘IO的。

• 编写一个简单的代码来触发fdatasync系统调用

  int main()
  {
      asm volatile(
          "movl $0x4B,%eax
  	" //使用EAX传递系统调号75
          "syscall
  	" //触发系统调用;
          );
      return 0;
  }
  
  

  编译这个代码生成可执行文件fdatasync_test(一定要加上-static参数使用静态编译, 因为我们设置了在内核中设置了静态编译选项)

• 重新打包根文件系统

  find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz
  

• 启动系统

  qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"
  

• 调试

  • 启动系统后会暂时停止, 这时我们新开一个终端, 输入命令:

  gdb vmlinux
  target remote:1234
  

  • 接着我们输入c, 虚拟机会继续运行, 完成初始化并进入初始界面
    

  ​ 因为fdatasync对应的函数入口是_x64_sys_fdatasync, 所以我们在这个打下断点:

  • qemu运行后, 我们在qemu的终端的home目录下, 运行我们之前编译好的fdatasync_test可执行文件, 此时虚拟机会卡主, 我们在调试终端查看调试信息
    
    可以看到gdb成功的捕捉到了断点

  • 接着我们进入单步调试, 看看系统调用做了哪些工作
    
    系统首先执行的 syscall_return_slowpath 函数, 准备恢复现场
    接下来, 执行用于恢复现场的汇编指令
    
    
    现场恢复完成

三.总结

1. syscall首先通过MSR寄存器查找中断向量表, 找到中断函数的入口位置, 随后执行swags进行压栈和保存现场的动作
2. 接着执行do_syscall_64函数, 在ax寄存器中获得系统调用号去执行系统调用
3. 接着调用我们的75号系统调用
4. 系统调用完结束后执行yscall_return_slowpath(regs), 准备恢复现场
5. 恢复现场工作