从内核看系统调用

本周学习了孟宁老师的《Linux内核分析》，按照课程要求，做实验如下：

首先使用gdb跟踪一个系统调用，我们选择上周实验所写的代码，修改这两段代码成两个系统调用，放入根文件系统中，作为本次实验将要观察的系统调用。

修改代码如下：

1） c实现的系统调用

int mkdir_c(int argc, char **argv)
{
    if(argc != 2)
        printf("Illegal parameter!!
");

    if(mkdir(argv[1]) == -1)
    {
        printf("Mkdir error!!
");
        return -1;
    }

    printf("Mkdir success!!
");
    return 0;
}

2） 使用汇编语言实现的系统调用

int mkdir_asm(int argc, char **argv)
{
    if(argc != 2)
        printf("Illagel parameters!!
");

    int ret = 0;
    asm volatile(
            "mov $0, %%eax
	"
            "mov $0x27, %%eax
	"
            "int $0x80
	"
            "mov %%eax, %0
	"
            :"=m"(ret)
            :"b"(argv[1])
            );

    if(ret == -1)
    {
        printf("Mkdir Error!!
");
        return -1;
    }

    printf("Mkdir success!!
");
    return 0;
}

打开实验楼环境，进入menu目录下

cd /home/shiyanlou/LinuxKernel/menu

打开test.c文件，假如上面两段代码，如图所示：

在main函数中添加两行代码注册这两个系统调用：

重新编译，制作成根文件系统镜像。使用qemu仿真环境加载内核和根文件系统，启动系统。为了方便，我们使用把这一系列命令都写入Makefile文件中，所以只需在终端执行如下命令：

make rootfs

就能完成全部动作：

我们可以执行我们所添加的命令了。

接下来我们使用gdb工具来对系统调用进行调试。

首先使用qemu进入调试模式，冻结住内核：

启动gdb，加载调试符号表，开始进行调试：

在system_call函数处设置了断点，但是无法在此处停止，因为system_call函数所在的entry_32.s文件是汇编代码，gdb对汇编代码的调试能力有限。

为了了解系统调用机制的处理过程，我们对system_call这段代码进行阅读和分析：

具体的代码参见：http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/arch/x86/kernel/entry_32.S

首先内核要初始化系统调用机制，我们知道start_kernel是内核的入口地址，在这个函数中系统完成一系列的初始化工作，所以系统调用机制的初始化工作也必定在这个函数中，其中的trap_init函数就是负责对系统调用机制进行初始化，

// in init/main.c   start_kernel
553  /*
554     * These use large bootmem allocations and must precede
555     * kmem_cache_init()
556     */
557    setup_log_buf(0);
558    pidhash_init();
559    vfs_caches_init_early();
560    sort_main_extable();
561    trap_init();
562    mm_init();

我们进入trap_init函数：

837
838#ifdef CONFIG_X86_32
839    set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);
840    set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);
841#endif
842

这一段代码把中断向量表中的0x80号中断指向system_call代码段处，我们进入SYSCALL_VECTOR可以看到这个宏代表的就是0x80：

50#ifdef CONFIG_X86_32
51# define SYSCALL_VECTOR            0x80
52#endif
53

接下来我们还分析system_call这段代码：

489    # system call handler stub
490    ENTRY(system_call)
491    RING0_INT_FRAME            # can't unwind into user space anyway
492    ASM_CLAC
493    pushl_cfi %eax            # save orig_eax
494    SAVE_ALL　　　　　　　　　　　//保存当前进程上下文，因为系统调用本身就是一种中断，所以和中断机制一样需要保存当前进程的一些信息，以便执行完系统调用后恢复现场
495    GET_THREAD_INFO(%ebp)
496                    # system call tracing in operation / emulation
497    testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)
498    jnz syscall_trace_entry
499    cmpl $(NR_syscalls), %eax
500    jae syscall_badsys
501syscall_call:
502    call *sys_call_table(,%eax,4)    //调用系统调用对应的处理函数
503syscall_after_call:
504    movl %eax,PT_EAX(%esp)        # store the return value
505syscall_exit:
506    LOCKDEP_SYS_EXIT
507    DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)    # make sure we don't miss an interrupt
508                    # setting need_resched or sigpending
509                    # between sampling and the iret
510    TRACE_IRQS_OFF
511    movl TI_flags(%ebp), %ecx
512    testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx    # current->work    //检测当前的任务
513    jne syscall_exit_work    //是否跳到syscall_exit_work来处理
514
515restore_all:
516    TRACE_IRQS_IRET

我们来看syscall_exit_work这段代码：

        # perform syscall exit tracing
655    ALIGN
656    syscall_exit_work:
657    testl $_TIF_WORK_SYSCALL_EXIT, %ecx
658    jz work_pending    //跳转至信号处理，work_reached进程调度处理等
659    TRACE_IRQS_ON
660    ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)    # could let syscall_trace_leave() call
661                    # schedule() instead
662    movl %esp, %eax
663    call syscall_trace_leave
664    jmp resume_userspace
665END(syscall_exit_work)

最后我们绘制流程图来表述从system_call到iret这一段代码的执行流程：

以上便是我对本次试验的全部理解，如有错误，还望指正。

Allen 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000