Unix编程学习笔记----对系统调用的完全理解

喜欢ヅ旅行 2022-08-09 02:14 187阅读 0赞

系统调用的具体流程：

参考《linux下系统调用原理解析及增加系统调用的方法》

我们首先看一下，unistd.h 所处的路径：

![Center][]

我们看一下unistd.h的文件内容。

![Center 1][]

现在我们就分析一下，这个unistd.h头文件的内容：

在文件中形如：

\#define --NR\_syscallname NNN

\_\_SYSCALL(\_\_NR\_syscallname, sys\_syscallname)

那就让我们看这里面有哪些内容？？

：

NR 后面跟的是 系统调用函数名， NNN是 该系统调用函数名所对应的系统调用号，

例如上面的实例中，getpid 是系统调用的函数名，而172 就是getpid这个系统调用函数名对应的系统调用号。

由此，我们可以看出，在unistd.h头文件中，它给出了每一个系统调用函数名所对应的系统调用号。

当我们确定了一个系统调用函数名的，系统调用号，之后就是根据系统调用号索引 sysz\_call\_table (即：系统调用表，系统调用表中保存着所有系统调用的函数指针)

最终定位到该服务程序在内存中的地址。

具体细节：

Sys\_call\_table 每一项占用4个字节，system\_call函数可以读取eax寄存器，获取当前系统调用的系统调用号，讲系统调用号乘以4生成偏移地址，然后以 sys\_call\_table 即系统调用表为基址，加上偏移地址所指向的的内容，就是调用的服务程序的入口地址。

参考论文原文如下：

Li n ux下系统调用原理解析及增加系统调用的方法  
The  
principle of syStem cal|and the methOd of add new system cal|  
胡盼盼 (华中科技大学计算机学院湖北武汉430074)  
摘要：系统调用是应用程序和操作系统之间进行交互的接口。程序的运行离不开系统调用。本文讨论讨论了  
Iinux下系统调用的实现机理，并以一个简单的例子说明了在|．nux下增加系统调用的实现方法，本文的讨论基于  
|．nux 2．4内核版本。  
关键词：I．nux系统调用  
1 Linu×系统调用概述  
系统调用是内核提供的，功能十分强大的一系列  
函数。这些函数在Linux的内核中实现，用来完成一些  
系统级的功能。通过一定的方式呈现给用户，是用户  
程序与内核交互的一个接口，在用户程序每调用一次  
系统调用函数，都将进行一次用户空间到内核空间的  
转换。如L．nux中常用的open，陀ad等函数，都属于系  
统调用。  
在L．nux系统中，系统调用是作为一种异常类型实  
现的，它将执行相应的机器代码指令来产生异常信号。  
在执行系统调用异常指令时，自动地将系统切换为核 心态(模式切换，mode刚tch)，并安排异常处理程序  
的执行。用户态的程序只有通过门(gate)陷入(trap)  
到系统内核中去(执行．nt指令)，才能执行一些具有特  
权的内核函数。系统调用完成后，系统执行另一组特  
征指令(iret指令)将系统返回到用户态，控制权返回  
给进程。L-nux用来实现系统调用异常的实际指令是：  
．nf$Ox80，这一指令使用中断／异常向量号128(即16  
进制的80)将控制权转移给内核(进行模式切换)。为  
达到在使用系统调用时不必用机器指令编程，在标准  
的C语言库中为每一系统调用提供了一段短的子程  
序，完成机器代码的编程工作。这段子程序所要做的  
工作只是将送给系统调用的参数加载到CPU寄存器  
中，接着执行int$Ox80指令。然后运行系统调用，系  
统调用的返回值将送入CPU的一个寄存器中，标准的  
库子程序取得这一返回值，并将它送回用户程序。  
2 L．nu×系统调用结构分析  
2．1部分重要的宏的说明  
我们以L．nu也．4内核为例，跟系统调用相关的内  
核代码主要有：  
·／usr／src／1．nux一2．4／arch／谂86／kemel／entry．S  
·／usr／src／¨nux一2．4／arch／1386／kemeI／trap．c  
．／usr／src／llnu×一2．4／arch／玛86／kernel／unistd．  
h  
这三个内核文件中定义了系统调用所需的一些信  
息。下面将说明这些代码文件中与系统调用相关的一  
些重要的宏定义，便于后面对系统调用过程的说明。  
SA、，E—ALL  
SAVE—ALL宏定义在entry．s中，代码如下：  
\#d酾neSAVE\_ALL＼  
cId：＼  
pushI％es；＼  
pushI％ds；＼  
pushI％eQx；＼  
pushI％ebp；＼  
pushl％edi；＼  
pushl％esi；＼  
pushI％edx；＼  
pushl％e以；＼  
pushI％ebx；＼  
maVI$(——．\}(ERNEL\_DS)，％edx；＼  
mOvl％edx，％ds；＼  
万方数据  
计算机系统应用 2007年第8期  
moVl％edx，％es；  
我们可以看到SAVE』LL宏主要是保存寄存器信  
息，即进行现场保留。  
RESTORE—ALL  
RESTORE—ALL也定义在entry．S中。其定义如下：  
popl％ebx；＼  
pOpl％eC)(；＼  
popI％ed×；＼  
popI％es．I＼  
popl％edi；＼  
pOpl％ebp；＼  
pOpI％ea×；＼  
popl％ds；＼  
popI％es；＼  
addI$4，％esp；＼  
\}ret·＼  
可以看出，REsTORE—ALL与SA、，E—ALL的过程是刚  
好相反的，主要完成现场恢复。iret是返回指令。  
—\_NR—Sysca¨name NNN  
这个宏定义在unlstd．h中，其中syscaIlname表示  
系统调用函数名，NNN表示系统调用序号。  
\}\}d酣ne—NR-e×．t 1  
删efIne—NR—如水2  
\#define—NR—read 3  
\#deflne NR wr计e 4  
L．nux系统给每个系统调用都编了号，当执行一个  
系统调用时，将按照系统调用号来索引系统调用。  
一sysca¨N(type，name，parameterl type，parameferl，  
…．．)  
这是一个带参数宏，定义在unistd．h中，用来展开  
系统调用，N是可变的，表示系统调用函数的参数个  
数。宏参数分别为系统调用函数的返回类型，系统调  
用函数名，系统调用参数类型，参数名。可以加多个参  
数。其展开后如下(假设此系统调用没有参数)：  
撑define—sysca¨O(type，name)  
type name(Void)  
\{  
LOng—』es；  
—qsm—voIaf．1e(“int$Ox80  
：“=a”(一res)  
：“”(一NR-\}蝌name))；  
—-syscall—refum(type，一res)；  
\}  
系统调用表sys\_ca¨jabIe  
在entry．s文件中还有一个重要的表就是系统调  
用表，系统调用表保存着所有系统调用的函数指针，以  
方便进行系统调用的索引。其定义如下：  
ENTRY(sys—ca¨jabIe)  
．10ng SYMBOLNAME(sys』i—syscaII)  
．Iong sYMBOLNAME(sysJx．f)  
．Iong sYMBOLNAME(sysjork)  
．Iong SYMBOLNAME(剐s—reQd)  
2。2系统调用过程解析  
我们以getujd()这个系统调用为示例．gefU．d()  
的功能是获取当前进程的ID号。测试程序如下：  
\#incIude<Ijnux／unistd．h>  
．nt main()\{  
int i=getuId()；  
pr．ntf(“my uid is：％d＼n”，i)；  
\}  
这个程序调用getuid()函数，来获得当前进程的  
ID号，并在终端输出。当程序调用getuid()这个函数  
时，便会调用头文件unistd．h中的定义的一syscaIf0(．nt  
，getuid)这个宏。这是个带参数宏，在unistd．h头文  
件中定义。通过查看unistd．h头文件，会发现getU．d  
会被展开成以下代码：  
getuid  
int getuid(Void)\{  
IOng—res；  
—\_Qsm—VoIatlle(“int$Ox80”)  
：“=a”(一res)  
：“”(——NR—getuid))；  
—-sysca¨—．retum(int，——res)；  
\}  
万方数据  
2007年第8期 计算机系统应用  
从中可以看出，程序通过调用宏一NR—getuid得  
到调用号，放到寄存器eax中，然后执行中断指令，“．nt  
$Ox80”。  
我们继续深入下去，看看．nf$0x80后面到底做  
了什么。因为这是一条软中断指令，那就要看看系统  
规定的这条中断指令的处理程序是什么。在traps．c  
文件中，有这样一行代码：  
set—system—gate(SYSCALL—VECTOR，86yStem～  
caff)，其中宏S丫5CALL\_VECTOR在内核中是被定义成  
0x80的。所以，在进入．nt$0x80中断后，系统将会自  
动进行模式和堆栈切换，然后将控制转移到sy咖m—  
ca¨的入口点。  
在en岫。S，中，我们可以找到syslem—caH的入口  
点：  
ENTRY(system—calI)  
pushI％eax  
SAVE—ALL  
GEl．\_CRRENT(％ebx)  
testb$O×02，tsI州race(％eb×)  
ine tracesys  
cmpI$(NR—sysca¨s)，％eax  
iae badsys  
Ca¨＼水sYMBOL-NAME(sys\_Ca¨jabIe)(，％ea×，  
41  
moVl％eax，EA×(％ebx)  
ENTRY(refjrom\_sys\_ca¨)  
cIi  
cnRp\}$O，need—resched(％eb×)  
inereschedule  
cmpI$O，sjgpending(％ebx)  
ine sygnaI—return  
Retore—all：  
RESTORE—ALL  
这段代码的主要功能就是保留系统调用号拷贝，  
SAVE—ALL保存现场，得到当前用户进程结构指针，并保  
存在ebx中，检测系统调用号是否合法，最后根据系统  
调用号索引syS—ca¨一table，并找到最终的内核函数  
sys—getu．d16。我们在I．nux终端下打开．．／kemeI／  
u．d16．c，便可看到这个系统调用函数的原始定义。  
AsmIinkage Iong sys—getuidl6(Void)\{  
returnhlgh21owuid(current一>uid)；  
l  
这个内核系统调用函数仅返回一个当前进程的  
uid。然后将得到的uid保存在eax中，最后调用RE—  
STORE』LL宏恢复现场。最后进程返回到用户态，用户  
程序最终执行完成。整个系统调用过程也就完成。整  
个过程可以用下图来表示：  
图1  
3增加系统调用  
3．1添加源代码  
首先是编写加到内核中的源程序，即将要加到一  
个内核文件中去的一个函数，该函数的名称应该是新  
的系统调用名称前面加上sys一标志。在／usr／src／  
1．nux／kemeI／sys．c文件中添加源代码，如下所示：  
asmIInkage Int sys--mycaIl(int number)  
\{  
retum number：  
\}  
作为一个最简单的例子，我们新加的系统调用仅  
仅返回一个整型值。  
3．2连接新的系统调用  
添加新的系统调用后，下一个任务是使L．nux内核  
的其余部分知道该程序的存在。为了从已有的内核程  
万方数据  
计算机系统应用2007年第8期  
序中增加到新的函数的连接，需要编辑前面提到过的  
两个文件。  
在我们所用的Linux内核版本(2．4．18)中，第一个  
要修改的文件是：  
／．usr／src／Iinux／incIude／asm—i386／unistd．h  
文件中找到系统调用号的宏定义，然后在后面加  
上一行：  
剿舒ne—N艮myCaII 259  
系统调用号为259，之所以系统调用号是259，是  
因为我的内核自身的系统调用号码已经用到258。  
第二个要修改的文件是：  
’  
／usr／s陀／ljnLJx／arch／i386／kemeI／entⅣ．S  
该文件中有类似如下的清单：  
．Iong SYMBOLNAME()  
该清单用来对sys\_Ca¨jable\[\]数组进行初始化。  
该数组包含指向内核中每个系统调用的指针。这样就  
在数组中增加了新的内核函数的指针。我们在清单上  
与系统调用号相对应的位置添加一行：  
．Iong SYMBOLNAME(sys\_myCa¨)  
3．3重建新的Un畎内核  
为使新的系统调用生效，需要重建L．nux的内核。  
cd／usr／src／¨nux一2．4  
超级用户在当前工作目录(／usr／src／1．nux)下，才  
可以重建内核。  
j|\}ma埏xCon俞g，进行内核配置。  
撑make dep，检测关联性。  
\#Imake clean，清除不用的组件。  
襻make bzlmage，生成内核映像文件。  
编译完毕后，系统生成一可用于安装的、压缩的内  
核映象文件：／usr／src／I．nux／arch／B86／boot／bzlmage  
3．4用新的内核启动系统  
将／usr／src／¨nux／arCh／．386／boot／bzImage拷贝  
到／b00t／bzImage  
配置启动文件：  
假设所用的启动文件为gnJb，修改／boot／grub／  
grUb．conf，添加新的引导内核：  
卅le Linu)(fest  
root(hd0，4)  
kemel／bool／bzImage ro roOt=LABEL=／  
in计rd／boot／initrd一2．4．20一8．img  
至此，新的Linux内核已经建立，新添加的系统调  
用已成为操作系统的一部允，重新启动，进入Linux—

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