LINUX内核分析第五周学习总结——扒开系统调用的“三层皮”（下）

时间：2023-12-12 09:17:14

LINUX内核分析第五周学习总结——扒开系统调用的“三层皮”（下）

标签（空格分隔）： 20135321余佳源

余佳源 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

一、给MenuOS增加time和time-asm命令

1.克隆并自动编译MenuOS

    rm menu -rf //强制删除原menu文件

    git clone https://github.com/mengning/menu.git //从github中克隆

    cd menu

    make rootfs //运行自动编译脚本，生成根文件系统，启动MenuOS

PS：实验楼环境太恶劣而且有时候会git失败，所以我选择用自己的虚拟机来实现。make rootfs的最后一步会出错，因为qemu指令不被支持，正确使用的使用qemu-system-x86_64

2.给MenuOS增加time和time-asm命令

  • 更新menu代码到最新版
  • test.c中main函数里，增加MenuConfig
  • 增加对应的两个函数：Time和TimeAsm
  • make rootfs

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二、调试内核

  1. 使用gdb跟踪调试内核

    --

    qemu-system-x86_64 -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

                 ------------另开一个终端------------

    gdb

    （gdb）file linux-3.18.6/vmlinux //加载符号表

    （gdb）target remote:1234 //连接

  • b sys_time：在系统调用time的位置设置断点
  • c：让MENUOS运行
  • 在MENUOS输入time就可以看到断点位置

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三、系统调用在内核代码中的处理过程

  1. 系统调用在内核代码中的工作机制和初始化

    --
  • main.c中start_kernel函数：trap_init()
  • set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call)
    • SYSCALL_VECTOR：系统调用的中断向量
    • &system_call：汇编代码入口
  • 一执行int 0x80，系统直接跳转到system_call。

int 0x80指令与systemcall是通过中断向量联系起来的，而API和对应的sys[函数]是通过系统调用号联系起来的

LINUX内核分析第五周学习总结——扒开系统调用的“三层皮”（下）

trapgate函数中，涉及到了系统调用的中断向量和systemcall的汇编代码入口；一旦执行int 0x80，CPU直接跳转到system_call

LINUX内核分析第五周学习总结——扒开系统调用的“三层皮”（下）

  1. 系统调用——一个特殊的中断

    --
ENTRY(system_call)-->执行 0x80后的下一条指令

RING0_INT_FRAME			# can't unwind into user space anyway

ASM_CLAC

pushl_cfi %eax			# save orig_eax

SAVE_ALL------------------>保护现场包括系统寄存器信息

GET_THREAD_INFO(%ebp)------------->获取thread_info结构的信息

				# system call tracing in operation / emulation

testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)---->测试是否有系统跟踪

jnz syscall_trace_entry---->如果有系统跟踪，先执行，然后再回来

cmpl $(NR_syscalls), %eax------>比较eax中的系统调用号和最大syscall，超过则无效

jae syscall_badsys------>无效的系统调用 直接返回

syscall_call:

call *sys_call_table(,%eax,4)-------->eax传递系统调用号查找系统调用表sys_call_table中定义好的相应的系统调用

syscall_after_call:----------↓

movl %eax,PT_EAX(%esp)----->保存返回值		# store the return value

syscall_exit:

LOCKDEP_SYS_EXIT

DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)	# make sure we don't miss an interrupt

			# setting need_resched or sigpending

			# between sampling and the iret

TRACE_IRQS_OFF

movl TI_flags(%ebp), %ecx

testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx------>判断当前的任务是否需要进程调度

jne syscall_exit_work------->未完成，则去执行这些任务

restore_all:---------->回复现场，回归用户态

TRACE_IRQS_IRET---->iret 从系统调用返回
  • 若有sys_exit_work，则进入sys_exit_work:会有一个进程调度时机。
    • work_pending -> work_notifysig，用来处理信号
      • 可能call_schedule：进程调度代码
      • 可能跳转到restore_all，恢复现场。
  • 若无sys_exit_work，就执行restore_all恢复，返回用户态。
  • INTERRUPT_RETURN <=> iret，结束。

在系统调用返回之前，可能发生进程调度，进程调度里就会出现进程上下文的切换。

进程间通信可能有信号需要处理。

可以将内核视为一系列中断指令的集合。

四、实验部分

  1. 使用gdb跟踪分析第20号系统调用内核函数：getpid

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先执行rm menu -rf，强制删除原有的menu文件夹，使用git命令更新menu代码至最新版。

在test.c中增加我编写的两个函数：Getpid()和asm_Getpid()

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在main函数中增加两个函数的MenuConfig命令项：

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make rootfs编译成功，qemu失败：改成 qemu-system-x86_64

编译运行，在MenuOS中输入help，可以查看当前所有的系统调用，分别执行Getpid asm_Getpid进行系统调用：

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  1. 从system_call到iret

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  • system_call到iret之间的主要代码

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  • 流程图

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五、总结

系统调用就是特殊的一种中断

  • 保存现场

    • 在系统调用时，我们需要SAVE_ALL，用于保存系统调用时的上下文。
    • 同样，中断处理的第一步应该也要保存中断程序现场。
    • 目的：在中断处理完之后，可以返回到原来被中断的地方，在原有的运行环境下继续正确的执行下去。

  • 确定中断信息

    • 在系统调用时，我们需要将系统调用号通过eax传入，通过sys_call_table查询到调用的系统调用，然后跳转到相应的程序进行处理。
    • 同样，中断处理时系统也需要有一个中断号，通过检索中断向量表，了解中断的类型和设备。

  • 处理中断

    • 跳转到相应的中断处理程序后，对中断进行处理。

  • 返回

    • 系统调用时最后要restore_all恢复系统调用时的现场，并用iret返回用户态。
    • 同样，执行完中断处理程序，内核也要执行特定指令序列，恢复中断时现场，并使得进程回到用户态。

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