系统调用（上）
谈愈敏 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
用户态、内核态和中断
系统调用是用户通过库函数方式：库函数帮我们把系统调用封装起来。
用户态&内核态（CPU执行级别）
- 内核态：高级别执行，可以使用特权指令，访问任意的物理地址。对应x86 0级
- 用户态：低级别执行，代码范围受到限制。对应x86 3级（x86CPU有0-3四个级别）
这种权限级别划分让系统更稳定。
如何区分用户态&内核态？
地址空间是显著标识，cs:eip[代码段选择寄存器：偏移量寄存器]（指令地址）
- 0xc0000000以上的地址只能在内核态下访问
- 0x00000000-0xbfffffff两种状态都行
注意：这里指逻辑地址（进程地址空间）而不是物理地址
另：cs寄存器的最低两位，表示当前代码的特权级
中断处理是从用户态进入内核态主要的方式
- 从用户态进入内核态：必须保存用户态的寄存器上下文
- 中断/int指令在堆栈上保存寄存器的值：用户态/内核态栈顶地址（ss:esp）、状态字(eflags)、cs:eip值（内核态时指向中断服务程序入口）
系统调用是一种特殊的中断
中断发生后第一件事就是保存现场：
进入中断程序，保存寄存器数据
SAVE_ALL
中断结束前最后一件事就是恢复现场：
退出中断程序，恢复寄存器数据
RESTORE_ALL
iret（pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack）
#对应着中断信号或int指令，与发生时CPU动作相反
系统调用概述
系统调用的意义
操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口-系统调用
- 用户不管硬件编程
- 提高系统安全性
- 用户程序可移植
API和系统调用
- API：应用编程接口，是一个函数定义
- 系统调用：通过软中断向内核发出明确请求
Libc库定义的一些API引用了封装例程（唯一目的就是发布系统调用）
- 一般每个系统调用对应一个封装例程
- 库用封装例程定义出给用户的API
不是每个API都对应一个特定的系统调用
- API可直接提供用户态服务，如数学函数
- 一个API可调用几个系统调用
- 不同API可调用同一系统调用
返回值
- 封装例程返回一个整数，含义依赖与相应系统调用
- -1表示内核不能满足进程的要求
- Libc定义的errno变量包含特定出错码
应用程序、封装例程、系统调用处理程序、系统调用服务例程之间的关系
xyz是一个函数，即API
应用程序编程接口里封装了一个系统调用，触发一个中断：中断向量0x80对应内核代码系统调用起点system_call
中断服务程序（sys_xyz）
系统调用三层皮：
- API（xyz）
- 中断向量（system_call）
- 中断服务程序（sys_xyz）
用户态进程调用系统调用时，CPU切换到内核态执行内核函数（Linux中通过执行int $128来执行系统调用，产生向量为128的编程异常）
传参：进程指明需要哪个系统调用，传递系统调用号，使用eax传递
- 系统调用号将xyz与sys_xyz关联起来
- system_call是linux中所有系统调用的入口点，每个系统调用至少有一个参数，即系统调用号。
寄存器传递参数的限制：
- 每个参数长度不能超过寄存器长度即32位
- 在系统调用号eax之外，个数不能超过6个
超过6的话：某个寄存器中存储指针，指针会指向一个地址空间，存储参数。
使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码触发同一个系统调用
使用库函数API获取系统当前时间
使用time()：
#include<stdio.h>
#include<time.h>
int main()
{
time_t tt;
struct tm *t;//构造一个结构体，将tt转换为这个方便读取时间的
tt = time(NULL);//time系统调用
t = localtime(&tt); //类型装换为我们熟知的时间格式
printf("time:%d:%d:%d:%d:%d:%d
", t->tm_year+1900, t->tm_mon, t->tm_mday, t->tm_hour, t->tm_min, t->tm_sec);
return 0;
}
编译：gcc time.c -o time -m32
使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用获取系统当前时间
#include<stdio.h>
#include<time.h>
int main()
{
time_t tt;
struct tm *t;
asm volatile(
"mov $0,%%ebx
" //把ebx清零，系统调用传递第一个参数用ebx，这里是NULL
"mov $0xd,%%eax
"//把0xd放入eax中，即eax传递系统调用号13——time
"int $0x80
" //内核处理系统调用
"mov %%eax,%0
" //系统调用返回值是在eax中，%0指tt，把返回值放到tt中去。
: "=m" (tt)
);
t = localtime(&tt);
printf("time:%d:%d:%d:%d:%d:%d
", t->tm_year+1900, t->tm_mon, t->tm_mday, t->tm_hour, t->tm_min, t->tm_sec);
return 0;
}
这段代码让我们更清楚的知道用户态进程对内核态做了什么
- 传递了一个系统调用号 - eax
- 传递了参数 - ebx
实验
选择20号系统调用getpid来获取进程ID
使用库函数API获取系统当前进程ID
代码：
运行：
使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用获取系统当前进程ID
思想：和视频示例中类似，只是传递给eax的系统调用号为0x14，即20号系统调用getpid。
代码：
运行：
