Linux内核设计第四周——扒开系统调用三层皮

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tags: by苏正生 , 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

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一、知识点整理

1.用户态 内核态和中断处理程序

我们一般使用系统调用一般通过库函数的方式

• 用户态和内核态的区分：
  【CPU有不同的执行级别，高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任何的物理地址；低执行级别下，就会受到一定的限制。（处于系统安全和稳定的目的）Intel X86 CPU有四种不同的执行级别0-3；linux只使用了其中的0级和3级分别来表示内核态和用户态。】

显著地区分：cs寄存器的最低两位表明了当前代码的特权级
在linux中，地址空间是一个显著地标志：

0xc0000000以上的地址空间只能在内核态下访问，
0xc00000000——0xbfffffff的地址空间两种状态下都可以访问。

• 中断发生过程：

1. 中断处理是从用户态进入内核态的主要方式，同时，系统调用只是一种特殊的中断。
2. 中断发生后第一件事就是保存现场：
3. 中断/int指令会在堆栈上保存一些寄存器的值（用户态栈顶地址、当时的状态字、当时cs：eip的值）
4. 中断结束前第一件事就是恢复现场。
   save_all:
   内核代码，完成中断服务。

2.系统调用概述和系统调用的三层皮：

系统调用（意义）：用用户态进程和硬件设备进行交互提供了一组接口。
——把用户从底层的硬件编程中解放出来
API和系统调用的区别：

• API只是一个系统调用；
• 系统调用通过软中断向内核发出一个明确的请求。

系统调用的三层皮：

• xyz
• system_call
• sys_xyz

CPU切换到内核态：
方式：通过执行int $0x80来执行系统调用
（中断向量0x80与system_call绑定起来）
由于内核实现了很多不同的系统调用，进程必须指明那个系统调用，所以会需要一个系统调用号的参数。（使用eax寄存器）
系统调用号将xyz和sys_xyz联系起来

系统调用的参数传递方法：

二、实验过程

1.本次试验我选择我所熟知的write系统调用：

2.通过查看帮助文档我们可以看到关于write的一些信息：

$ man 2 write

参数2代表我们要去看Linux Programmer's Manual

其中有些参数我们需要了解，可以帮助我们进行下面的工作：

• int fd, 这个代表你要往哪里写，Linux系统包含3种专门的文件描述符：

• 0－stdin: 标准输入，一般是键盘
• 1－stdout: 标准输出，一般是终端屏幕，我们一会就用这个。
• 2－stderr: 标准错误输出，一般是终端屏幕。

• buf 是指定要write的字符内容从哪里开始， 说白了就是一个字符串的最开始的内存位置。
• size_t count 是知道要write多少个字符出去。

3.编写C语言代码

// test.c
#include <unistd.h>
int main(){
char string[4] = {'s','z','s','
'};
write(1,string, 5);
return 0;
}

4.编译c代码

当我进行执行.c文件的编译的时候，不自觉的和视频教学同步加了-m32，发现我的kali系统里没有相应的头文件，于是进行相关软件包的安装，后来发现不需要-m32，直接编译成64位的代码没有问题。

5.编译成功

图中的szs即是我在之前代码中定义的字符串，用一号功能打印在屏幕上。

6.编写汇编代码

首先通过查阅资料了解到了一些汇编的知识：

我们用GNU的一组汇编工具就很方便，需要用到的编译连接程序（或者说命令）是as 和 ld。 其实，gcc命令其实就是把c文件编译成一个汇编文件后，再用as 和ld来生成最终程序或者库文件的。
我们都知道用汇编的话就得一个一个寄存器单独来使用了，那怎样进行系统调用呢？方法是严格按照这个顺序将参数传递给寄存器：

* EAX ：存放系统调用号，决定进行什么系统调用
* EBX： 存放系统调用第一个参数
* ECX： 存放第二个参数，后面以此类推
* EDX： 第三个
* ESI： 第四个
* EDI：第五个
同时，结合在课程中学习的内容（以time函数为例）：

使用库函数API获取系统当前时间

使用C代码嵌入汇编代码触发系统调用获取当前时间

系统调用传递的第一个参数使用ebx，这里是null。
使用eax传递系统调用号，使用的time调用号是13。
函数返回值也使用eax存储，和普通函数一样。

所以对应我们要用的wirte系统调用，要把值传递给相应的寄存器当中：

write(int fd, const void *buf, size_t count);
          ｜                  ｜            ｜
----------EBX-------------------ECX-------EDX

这样，我们就可以确定各个寄存器的作用以及传递的都是一些什么参数。
直接用了汇编代码，比C语言复杂不到那里去：

# teat1.s 这一行是注释
.section .data
output: ＃这是个标签，用来告诉编译器以后我用到“output”就是指这个内存地点
.ascii "i am suzhengsheng,20135333.
" ＃这里开辟了一段ascii字符空间，有24个字符
output_end: ＃另一个标签
.equ len, output_end - output ＃相当于宏定义，意思是让len 这个变量 等于output_end - output的值
section .text
.globl _start
_start:
    movl $4, %eax ＃依次由前文所述给各个寄存器赋值
    movl $1, %ebx
    movl $output, %ecx
    movl $len, %edx
    int $0x80 ＃进行一次系统调用
end:
    movl $1, %eax ＃这里赋值以后又进行了一次系统调用，1这个系统调用是干什么的呢？
    movl $0, %ebx ＃不知道的话可以去看/usr/include/asm/unistd_32.h求解哦，呵呵
    int $0x80

7.编译汇编代码

三、实验总结

本次实验我通过调用4号调用write来进行了模拟系统调用的过程。对于以往繁杂的系统调用忽然有了亲切和清晰地理解。在上面已经把每一部分在做什么，怎么做都写了，就不再这里繁复的阐述了。
最后比较了一下两个代码，虽然完成的是同样的系统调用，但是通过比较可以看出汇编代码在体积方面有很大的优势：

四、遇到的问题

实验中遇到了自己的虚拟机安装的kali系统编译32位程序不成功的情况，目测是32位的搜索路径下没有sys/cdefs.h

但是我想说的是，64位的机器已经是一个趋势了，代表了更快的速度和更高的效率，代码等都应该向着64位逐步优化。
网上有人这么说：
“一般64位系统最好不要安装32位库的-dev，经常有冲突，强行安装会破坏64位环境，头文件并不像共享库分得那么完美。
我觉得比较好的做法是，重新把某一个文件夹当成rootfs，在里面安装各种32位的库和库-dev，然后给gcc传递参数"--sysroot=路径"就可以让gcc重新选取那个文件夹为rootfs，而不再认为/为rootfs。其实这样就变成交叉编译了。也可以在这个rootfs中安装32位的必要软件包如bash，gcc，coreutils等等，然后chroot进去就变成host编译了。其实有个比较简单的方法，就是虚拟机下安一个32位的ubuntu，然后装好各种软件包，然后直接对/打包，再拿出来解压就是rootfs了，后面最多就是缺啥安啥，工作量比较小”
虽有偏颇，但还是有参考意义，在这里分享给大家。

参考资料

1. 使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用 - 实验楼 https://www.shiyanlou.com/courses/running/731
2. Linux内核分析 - 网易云课堂 http://mooc.study.163.com/learn/USTC-1000029000?tid=2001214000#/learn/content
3. 64位UBUNTU 下 如何用GCC 编译出32位程序 http://zhidao.baidu.com/link?url=lh44LyEa81a7jC2DFTLIFrr9SZgxf2ramTLcyRDZDj9vaEzPckF0U1Oz2VVQJFbPZJ_9IscNBXTuEHZ0PWZ9MrxG7QaEjs1N9lXtrhyAANO
4. 简单的Linux系统调用（C与汇编） http://blog.163.com/liufu_ty/blog/static/36725362009102605824425/
5. Cross Reference: /linux-3.18.6/arch/x86/syscalls/syscall_32.tbl http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/arch/x86/syscalls/syscall_32.tbl