你知道Linux系統(tǒng)調(diào)用的原理

系統(tǒng)調(diào)用是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的接口，它決定了程序如何與內(nèi)核打交道的。無論程序是直接進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，還是通過運(yùn)行庫，最終還是會(huì)到達(dá)系統(tǒng)調(diào)用這個(gè)層面上。x86系統(tǒng)下，Linux系統(tǒng)使用0x80號(hào)中斷作為系統(tǒng)調(diào)用的入口。EAX寄存器用于表示系統(tǒng)調(diào)用的接口號(hào)，比如EAX=1表示退出進(jìn)程，EAX=2表示創(chuàng)建進(jìn)程，EAX=3表示讀取文件，EAX=4表示寫文件等。每一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用都對(duì)應(yīng)于內(nèi)核代碼中的一個(gè)函數(shù)，它們都是以“sys_”開頭的，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用返回時(shí)，EAX又作為調(diào)用結(jié)果的返回值。

包括Linux，大部分操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用都有兩個(gè)特點(diǎn)：使用不便、各個(gè)操作系統(tǒng)之間系統(tǒng)調(diào)用不兼容。為了解決這些問題，運(yùn)行庫挺身而出，它作為系統(tǒng)調(diào)用與程序之間的抽象層可以保持這樣的特點(diǎn)：

使用簡(jiǎn)便

形式統(tǒng)一；運(yùn)行庫有它的標(biāo)準(zhǔn)，凡是所有遵循這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行庫理論上都是相互兼容的，與操作系統(tǒng)和編譯庫無關(guān)

CPU常?？梢栽诙喾N截然不同的特權(quán)級(jí)別下執(zhí)行指令，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，通常也據(jù)此有兩種特權(quán)級(jí)別，分別為用戶模式和內(nèi)核模式，也被稱為用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)。系統(tǒng)調(diào)用是運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，而應(yīng)用程序基本都是運(yùn)行在用戶態(tài)。操作系統(tǒng)一般是通過中斷來從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)；中斷是一個(gè)硬件或軟件發(fā)出的請(qǐng)求，要求CPU暫停當(dāng)前的工作轉(zhuǎn)手去處理更加重要的事情。

中斷一般具有兩個(gè)屬性，一個(gè)稱為中斷號(hào)，一個(gè)稱為中斷處理程序。不同的中斷具有不同的中斷號(hào)，而同時(shí)一個(gè)中斷處理程序一一對(duì)應(yīng)一個(gè)中斷號(hào)。在內(nèi)核中，有個(gè)數(shù)組稱為中斷向量表，這個(gè)數(shù)組的第n項(xiàng)包含了指向第n號(hào)中斷的中斷處理程序的指針。當(dāng)中斷到來時(shí)，CPU會(huì)暫停當(dāng)前執(zhí)行的代碼，根據(jù)中斷的中斷號(hào)，在中斷向量表中找到對(duì)應(yīng)的中斷處理程序，并調(diào)用它。中斷處理程序執(zhí)行完成之后，CPU會(huì)繼續(xù)執(zhí)行之前的代碼。

通常意義上，中斷有兩種類型，一種稱為硬件中斷，這種中斷來自硬件的異?；蚱渌录陌l(fā)生。另一種稱為軟件中斷，軟件中斷通常是一條指令，帶有一個(gè)參數(shù)記錄中斷號(hào)，使用這條指令用戶可以手動(dòng)觸發(fā)某個(gè)中斷并執(zhí)行其中斷處理程序。由于中斷號(hào)是很有限的，操作系統(tǒng)不會(huì)舍得用一個(gè)中斷號(hào)來對(duì)應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，Linux使用int 0x80來觸發(fā)所有的系統(tǒng)調(diào)用。和中斷一樣，系統(tǒng)調(diào)用都有一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，通常就是系統(tǒng)調(diào)用在系統(tǒng)調(diào)用表中的位置。linux系統(tǒng)中，系統(tǒng)調(diào)用號(hào)通常由eax傳入，用戶將系統(tǒng)調(diào)用號(hào)放入eax中，然后使用int 0x80調(diào)用中斷，中斷服務(wù)程序就可以從eax里取得系統(tǒng)調(diào)用號(hào)，進(jìn)而調(diào)用對(duì)應(yīng)的函數(shù)。

下圖是以fork為例的Linux系統(tǒng)調(diào)用的執(zhí)行流程：

fork函數(shù)是一個(gè)對(duì)系統(tǒng)調(diào)用fork的封裝，可以用下列宏來定義它：

_syscall0(pid_t, fork);

_syscall0是一個(gè)宏函數(shù)，用于定義一個(gè)沒有參數(shù)的系統(tǒng)調(diào)用的封裝。它的第一個(gè)參數(shù)為這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的返回值類型，這里為pid_t，是一個(gè)Linux自定義類型，代表進(jìn)程的id。 _syscall0的第二個(gè)參數(shù)是系統(tǒng)調(diào)用的名稱，_syscall展開之后會(huì)形成一個(gè)與系統(tǒng)調(diào)用名稱同名的函數(shù)。該宏定義展開之后如下：

[cpp]?view plain?copy

//?fork??

pid_t?fork(void)??

{??

long?__res;??

$eax?=?__NR_fork??

__res?=?$eax??

__syscall_return(pid_t,?__res);??

}??

__NR_fork是一個(gè)宏，表示fork系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用號(hào)，對(duì)于x86體系結(jié)構(gòu)，該宏的定義可以在Linux/include/asm-x86/unistd_32.h里找到；而__syscall_turn是另一個(gè)宏，這個(gè)宏用于檢查系統(tǒng)調(diào)用的返回值，并把它轉(zhuǎn)換為C語言的error錯(cuò)誤碼。在Linux里，系統(tǒng)調(diào)用使用返回值傳遞錯(cuò)誤碼，如果返回值為負(fù)數(shù)，那么表明該調(diào)用失敗，返回值的絕對(duì)值就是錯(cuò)誤碼。而在C語言里，大多數(shù)函數(shù)都以返回-1表示調(diào)用失敗，而將出錯(cuò)信息存儲(chǔ)在一個(gè)名為errno的全局變量里。__syscall_return就負(fù)責(zé)將系統(tǒng)調(diào)用的返回信息存儲(chǔ)在errno中。

如果系統(tǒng)調(diào)用本身有參數(shù)，那么參數(shù)通過ebx來傳入。x86下Linux支持的系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)至多有6個(gè)，分別使用6個(gè)寄存器來傳遞，它們分別是EBX、ECX、EDX、ESI、EDI 和 EBP。

當(dāng)用戶調(diào)用某個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，實(shí)際是執(zhí)行了一段匯編代碼。CPU執(zhí)行到int $0x80時(shí)，會(huì)保存現(xiàn)場(chǎng)以便恢復(fù)，接著會(huì)將特權(quán)狀態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)。然后CPU便會(huì)查找中斷向量表中的第0x80號(hào)元素。

在實(shí)際執(zhí)行中斷向量表中0x80號(hào)元素之前，CPU首先還要進(jìn)行棧的切換。在Linux中，用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)使用的是不同的棧，兩者各自負(fù)責(zé)各自的函數(shù)調(diào)用，互不干擾。但在應(yīng)用程序進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，程序的執(zhí)行流程從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，這是程序的當(dāng)前棧必須也相應(yīng)地從用戶棧切換到內(nèi)核棧。從中斷處理函數(shù)中返回時(shí)，程序的當(dāng)前棧還要從內(nèi)核棧切換回用戶棧。

所謂的“當(dāng)前?！保傅氖荅SP所在的?？臻g。如果ESP的值位于用戶棧的范圍內(nèi)，那么程序的當(dāng)前棧就是用戶棧；此外，寄存器SS的值還應(yīng)該指向當(dāng)前棧所在的頁。所以，將當(dāng)前棧有用戶棧切換為內(nèi)核棧的實(shí)際行為就是：

保存當(dāng)前ESP、SS的值

將ESP、SS的值設(shè)置為內(nèi)核棧的相應(yīng)值

反過來，將當(dāng)前棧由內(nèi)核棧切換為用戶棧的實(shí)際行為則是：恢復(fù)原來的ESP、SS的值。用戶態(tài)的ESP和SS保存在內(nèi)核棧上，這一行為由中斷指令自動(dòng)地由硬件完成。當(dāng)0x80號(hào)中斷發(fā)生的時(shí)候，CPU除了切入內(nèi)核態(tài)之外，還會(huì)自動(dòng)完成下面幾件事：

找到當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)核棧

在內(nèi)核棧中依次壓入用戶態(tài)的寄存器SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP。

而當(dāng)內(nèi)核從系統(tǒng)調(diào)用中返回時(shí)，需要調(diào)用iret指令來切回用戶態(tài)，iret指令則會(huì)從內(nèi)核棧里彈出寄存器EIP、CS、EFLAGS、ESP、SS的值，使得?；謴?fù)到用戶態(tài)的狀態(tài)。

這樣，系統(tǒng)調(diào)用fork通過int 0x80調(diào)用system_call，根據(jù)當(dāng)前eax的值在系統(tǒng)調(diào)用表中選擇合適的函數(shù)繼續(xù)執(zhí)行。我們看下system_call片段：

[cpp]?view plain?copy

ENTRY(system_call)??

...??

SAVE_ALL??

...??

cmpl?$(nr_syscalls),?x??

jae?syscall_badsys??

......??

在這里一開始使用宏SAVE_ALL將各種寄存器壓入棧中，以免它們的值被后續(xù)執(zhí)行的代碼所覆蓋。然后接下來使用cmpl指令比較eax和nr_syscalls(比最大的有效系統(tǒng)調(diào)用號(hào)大一的值)，因此，如果不在有效系統(tǒng)調(diào)用號(hào)的范圍內(nèi)，就會(huì)跳轉(zhuǎn)到syscall_badsys執(zhí)行。如果系統(tǒng)調(diào)用號(hào)是有效的，則：

[cpp]?view plain?copy

system_call:??

call?*sys_call_table(0,?x,?4)??

......??

RESTORE_REGS??

......??

iret??

確定系統(tǒng)調(diào)用號(hào)有效并且保存寄存器之后，接下來要執(zhí)行的就是調(diào)用 *sys_call_table(0,x,4)來查找中斷服務(wù)程序并執(zhí)行。執(zhí)行結(jié)束只有使用宏RESTORE_REGS來恢復(fù)之前被SAVE_ALL保存的寄存器。最后通過iret從中斷處理程序中返回。

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