《Linux操作系统分析》之分析系统调用system_call的处理过程

╰半夏微凉° 2022-07-28 01:02 202阅读 0赞

本篇文章通过将上篇文章中使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式设计的系统调用添加到系统menu中，来说明在Linux系统中，系统调用的实现的时机以及具体运行，以及一般的中断处理过程。

**相关知识**

首先关于这篇文章会介绍一些用到的知识。

一、将系统调用号与相应的服务例程关联起来，内核利用了一个系统调用分派表（dispatch table）。这个表存放在sys\_call\_table数组中，有NR\_syscalls个表项：第n个表项包含系统调用号为n的服务例程的地址。

二、因为这篇文章和上篇文章是上下文关系，所以其他相关知识请参考上篇文章：[《Linux操作系统分析》之使用库函数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][Linux_API_C]。

**分析过程**

首先我们将自己写的系统调用fetpid和getpid-asm放进Menu系统的中。需要进行的操作有：

0）更新menuOS到最新版本

1）在test.c中的main函数中添加MenuConfig

2）添加对应的getpid函数和getpid-asm函数

3）make rootfs

如果在上面的操作中出现了什么问题，可以去[https://github.com/mengning][https_github.com_mengning]查询代码等。

第零步

rm menu -rf 强制删除原menu文件
    git clone http://github.com/mengning/menu.git 从github中克隆

第一二步结果如下图：

![20160327144639998][]

对其进行编译运行，即第三步

![20160327144755170][]

运行结果如上图。

设置断点进行跟踪：

![20160327145020187][]

我们发现断点进入到entry\_32.s中。但是在这里没有停止，而是直接运行结束了。

在进入entry\_32.s之前，运行的过程如下：

1）main.c中start\_kernel函数：trap\_init()  
2）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  
3）一执行int 0x80，系统直接跳转到system\_call。  
然后执行到了entry\_32.s，我们将entry\_32.s文件打开，看一下里面的内容。

# system call handler stub
 ENTRY(system_call) #系统调用处理入口（内核态）
 RING0_INT_FRAME # can't unwind into user space anyway
 ASM_CLAC
 pushl_cfi %eax # save orig_eax #保存eax，也就是调用号 
 SAVE_ALL # 保存所有会被覆盖的寄存器信息 
 GET_THREAD_INFO(%ebp) # 当前进程的thread_info结构的地址，获取当前进程的信息。 
 # system call tracing in operation / emulation
 testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp) # 检测是否由系统跟踪 
 jnz syscall_trace_entry # 有系统跟踪则先去执行 
 cmpl $(NR_syscalls), %eax # 比较输入的系统调用号 是否大于等于 最大的系统调用号 
 jae syscall_badsys # 大于或等于则无效，跳转到syscall_badsys，小于则跳转到相应系统调用号所对应的服务例程当中。
 syscall_call:
 call *sys_call_table(,%eax,4) # 在系统调用表中的调用相应的服务例程，eax为调用号。sys_call_table表的表项占4字节。
 syscall_after_call: 
 movl %eax,PT_EAX(%esp) # store the return value # 保存返回值 
 syscall_exit:
 LOCKDEP_SYS_EXIT # 用于调试，只有开启调试后才会检测系统调用深度 
 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 # 关闭中断跟踪 
 movl TI_flags(%ebp), %ecx # 检测是否还有其他任务 
 testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx # current->work
 jne syscall_exit_work	#如果有其他的任务，则跳转到syscall_exit_work。没有就执行restore_all等恢复现场的动作。
 syscall_exit_work:
 testl $_TIF_WORK_SYSCALL_EXIT, %ecx
 jz work_pending # 测试是否退出前还有工作要处理，如果有的话跳转到work_pending 
 TRACE_IRQS_ON # 开启系统中断跟踪 
 ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY) # could let syscall_trace_leave() call
 # 允许中断 # schedule() instead
 movl %esp, %eax
 call syscall_trace_leave
 jmp resume_userspace # 恢复用户空间 
 END(syscall_exit_work)
 
 work_pending:
 testb $_TIF_NEED_RESCHED, %cl # 是否有需要继续调度的相关信号 
 jz work_notifysig # 跳转到处理信号相关的代码处 
 work_resched:
 call schedule # 时间调度， 进程调度的时机在这里处理 
 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	#系统中断跟踪关闭
 movl TI_flags(%ebp), %ecx
 andl $_TIF_WORK_MASK, %ecx # is there any work to be done other 是否还有其他工作要处理
 # than syscall tracing?
 jz restore_all #如果没有的话就恢复中断上下文，也就是恢复进入之前保存的寄存器相关内容
 testb $_TIF_NEED_RESCHED, %cl
 jnz work_resched
 
 work_notifysig: # deal with pending signals and 
 # notify-resume requests 
 #ifdef CONFIG_VM86
 testl $X86_EFLAGS_VM, PT_EFLAGS(%esp)
 movl %esp, %eax
 jne work_notifysig_v86 # returning to kernel-space or
 # vm86-space
 
 restore_all:
 TRACE_IRQS_IRET # 恢复中断跟踪 
 restore_all_notrace:
 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX32
 movl PT_EFLAGS(%esp), %eax # mix EFLAGS, SS and CS
 # Warning: PT_OLDSS(%esp) contains the wrong/random values if we
 # are returning to the kernel.
 # See comments in process.c:copy_thread() for details.
 movb PT_OLDSS(%esp), %ah
 movb PT_CS(%esp), %al
 andl $(X86_EFLAGS_VM | (SEGMENT_TI_MASK << 8) | SEGMENT_RPL_MASK), %eax
 cmpl $((SEGMENT_LDT << 8) | USER_RPL), %eax
 CFI_REMEMBER_STATE
 je ldt_ss # returning to user-space with LDT SS
 #endif
 restore_nocheck:
 RESTORE_REGS 4 # skip orig_eax/error_code
 irq_return:
 INTERRUPT_RETURN

在上面代码中我们知道无论是中断返回（ret\_from\_intr) ,还是系统调用返回，都使用了 work\_pending 和resume\_userspace。

对于宏SAVE\_ALL来说，会把将寄存器的值压入堆栈当中，压入顺序对应struct pt\_regs ，出栈时亦然。struct pt\_regs可以在[ptrace.h][]中查看。  
系统调用的流程图如下：

![20160327185309876][]

**总结：**

1）系统调用的初始化的顺序是：start\_kernel()->trap\_init()->set\_system\_trap\_gates(SYSCALL\_VECTOR,&system\_call);

2）用户态到内核态通过0x80进行中断，在内核初始化期间调用trap\_init()，用函数set\_system\_trap\_gates(),建立了对应于向量128的中断描述符表表项，从而进入相应的中断服务。

3）system\_call()函数首先将系统调用号或中断处理程序需要用到的所有的CPU寄存器保存到相应的栈中。然后进行服务的处理。当系统调用服务例程结束时，system\_call()函数从eax获得它的返回值。然后进行一系列的检查，最后恢复用户态进程的执行。

如果想看详细的讲解，请大家参考：深入理解linux内核的第十章系统调用。

**备注：**

杨峻鹏 + 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

[Linux_API_C]: http://blog.csdn.net/wsyw126/article/details/50916177
[https_github.com_mengning]: https://github.com/mengning
[20160327144639998]: /images/20220727/52b3b36ec5e74bea9d0a2e01d86e4838.png
[20160327144755170]: /images/20220727/c9b29f375f914fc8bafc1ba4f27454f9.png
[20160327145020187]: /images/20220727/d748a7e01a554b1aa9cc0302d8adc2cb.png
[ptrace.h]: http://codelab.shiyanlou.com/xref/linux-3.18.6/arch/x86/include/asm/ptrace.h
[20160327185309876]: /images/20220727/2c2ff1cf237642de9f6ed623c5755c64.png