Linux 下系统调用的三种方法

时间：2022-03-09 15:42:32

系统调用（System Call）是操作系统为在用户态运行的进程与硬件设备（如CPU、磁盘、打印机等）进行交互提供的一组接口。当用户进程需要发生系统调用时，CPU 通过软中断切换到内核态开始执行内核系统调用函数。下面介绍Linux 下三种发生系统调用的方法：

通过 glibc 提供的库函数

glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库，即运行时库。glibc 为程序员提供丰富的 API（Application Programming Interface），除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外，最重要的是封装了操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装。那么glibc提供的系统调用API与内核特定的系统调用之间的关系是什么呢？

  • 通常情况，每个特定的系统调用对应了至少一个 glibc 封装的库函数，如系统提供的打开文件系统调用 sys_open 对应的是 glibc 中的 open 函数；
  • 其次，glibc 一个单独的 API 可能调用多个系统调用，如 glibc 提供的 printf 函数就会调用如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close 等等系统调用；
  • 另外，多个 API 也可能只对应同一个系统调用，如glibc 下实现的 malloc、calloc、free 等函数用来分配和释放内存，都利用了内核的 sys_brk 的系统调用。

举例来说，我们通过 glibc 提供的chmod 函数来改变文件 etc/passwd 的属性为 444：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
int rc;

rc = chmod("/etc/passwd", 0444);
if (rc == -1)
fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);
else
printf("chmod success!\n");
return 0;
}

在普通用户下编译运用，输出结果为：

chmod failed, errno = 1

上面系统调用返回的值为-1，说明系统调用失败，错误码为1，在 /usr/include/asm-generic/errno-base.h 文件中有如下错误代码说明：

#define EPERM       1                /* Operation not permitted */

即无权限进行该操作，我们以普通用户权限是无法修改 /etc/passwd 文件的属性的，结果正确。

使用 syscall 直接调用

使用上面的方法有很多好处，首先你无须知道更多的细节，如 chmod 系统调用号，你只需了解 glibc 提供的 API 的原型；其次，该方法具有更好的移植性，你可以很轻松将该程序移植到其他平台，或者将 glibc 库换成其它库，程序只需做少量改动。
但有点不足是，如果 glibc 没有封装某个内核提供的系统调用时，我就没办法通过上面的方法来调用该系统调用。如我自己通过编译内核增加了一个系统调用，这时 glibc 不可能有你新增系统调用的封装 API，此时我们可以利用 glibc 提供的syscall 函数直接调用。该函数定义在 unistd.h 头文件中，函数原型如下：

long int syscall (long int sysno, ...)
  • sysno 是系统调用号，每个系统调用都有唯一的系统调用号来标识。在 sys/syscall.h 中有所有可能的系统调用号的宏定义。
  • ... 为剩余可变长的参数，为系统调用所带的参数，根据系统调用的不同，可带0~5个不等的参数，如果超过特定系统调用能带的参数，多余的参数被忽略。
  • 返回值 该函数返回值为特定系统调用的返回值，在系统调用成功之后你可以将该返回值转化为特定的类型，如果系统调用失败则返回 -1，错误代码存放在 errno 中。

还以上面修改 /etc/passwd 文件的属性为例，这次使用 syscall 直接调用：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <errno.h>

int main()
{
int rc;
rc = syscall(SYS_chmod, "/etc/passwd", 0444);

if (rc == -1)
fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);
else
printf("chmod succeess!\n");
return 0;
}

在普通用户下编译执行，输出的结果与上例相同。

通过 int 指令陷入

如果我们知道系统调用的整个过程的话，应该就能知道用户态程序通过软中断指令int 0x80 来陷入内核态（在Intel Pentium II 又引入了sysenter指令），参数的传递是通过寄存器，eax 传递的是系统调用号，ebx、ecx、edx、esi和edi 来依次传递最多五个参数，当系统调用返回时，返回值存放在 eax 中。

仍然以上面的修改文件属性为例，将调用系统调用那段写成内联汇编代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <errno.h>

int main()
{
long rc;
char *file_name = "/etc/passwd";
unsigned short mode = 0444;

asm(
"int $0x80"
: "=a" (rc)
: "0" (SYS_chmod), "b" ((long)file_name), "c" ((long)mode)
);

if ((unsigned long)rc >= (unsigned long)-132) {
errno = -rc;
rc = -1;
}

if (rc == -1)
fprintf(stderr, "chmode failed, errno = %d\n", errno);
else
printf("success!\n");

return 0;
}

如果 eax 寄存器存放的返回值（存放在变量 rc 中）在 -1~-132 之间，就必须要解释为出错码（在/usr/include/asm-generic/errno.h 文件中定义的最大出错码为 132），这时，将错误码写入 errno 中，置系统调用返回值为 -1；否则返回的是 eax 中的值。

上面程序在 32位Linux下以普通用户权限编译运行结果与前面两个相同！

参考资料

  • Understanding The Linux Kernel, the 3rd edtion
  • The GNU C Library Reference Manual, for version 2.18
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