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linux系统调用ppt 系统调用系统调用 1.2 本章内容本章内容 系统调用基础知识 数据结构和代码 系统调用getuid()的实现 添加一个系统调用mysyscall 1.3 一个简单的例子一个简单的例子 #include /* all system calls need this header */ int main(){ int i = getuid(); printf(“Hello World! This is my uid: %d\n”, i); }  第1行：包括unistd.h这个头文件。所...

系统调用系统调用 1.2 本章内容本章内容 系统调用基础知识 数据结构和代码 系统调用getuid()的实现 添加一个系统调用mysyscall 1.3 一个简单的例子一个简单的例子 #include /* all system calls need this header */ int main(){ int i = getuid(); printf(“Hello World! This is my uid: %d\n”, i); }  第1行：包括unistd.h这个头文件。所有用到系统调用的程序都需要包括它。  第2行：进行getuid()系统调用，并将返回值赋给变量i 1.4 为什么需要系统调用为什么需要系统调用  系统调用是内核向用户进程提供服务的唯一

方法

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，应用程序调用操作系统提供的功能模块（

函

关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函

数）。  用户程序通过系统调用从用户态（user mode）切换到核心态（kernel mode），从而可以访问相应的资源。这样做的好处是：  为用户空间提供了一种硬件的抽象接口，使编程更加容易。  有利于系统安全。  有利于每个进程度运行在虚拟系统中，接口统一有利于移植。 1.5 为什么需要系统调用为什么需要系统调用((续续)) 1.6 为什么需要系统调用为什么需要系统调用((续续)) 1.7 运行模式、地址空间、上下文运行模式、地址空间、上下文  运行模式（mode）  Linux使用了其中的两个：特权级0和特权级3 ，即内核模式(kernel mode)和用户模式(user mode）  地址空间（space）  每个进程的虚拟地址空间可以划分为两个部分：用户空间和内核空间。  在用户态下只能访问用户空间；而在核心态下，既可以访问用户空间，又可以访问内核空间。  内核空间在每个进程的虚拟地址空间中都是固定的（虚拟地址为3G～4G的地址空间）。 1.8 运行模式、地址空间、上下文运行模式、地址空间、上下文  上下文（context）。一个进程的上下文可以分为三个部分：用户级上下文、寄存器上下文以及系统级上下文。  用户级上下文：正文、数据、用户栈以及共享存储区；  寄存器上下文：通用寄存器、程序寄存器（IP）、处理机状态寄存器（EFLAGS）、栈指针（ESP）；  系统级上下文：进程控制块task_struct、内存管理信息(mm_struct、vm_area_struct、 pgd、pmd、pte 等)、核心栈等。 1.9 系统调用、系统调用、APIAPI和和CC库库  Linux的应用编程接口（API）遵循 POSIX

标准

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 Linux的系统调用作为c库的一部分提供。c库中实现了 Linux的主要API，包括标准c库函数和系统调用。  应用编程接口(API)其实是一组函数定义，这些函数说明了如何获得一个给定的服务；而系统调用是通过软中断向内核发出一个明确的请求，每个系统调用对应一个封装例程（wrapper routine，唯一目的就是发布系统调用）。一些API应用了封装例程。  API还包含各种编程接口，如：C库函数、OpenGL编程接口等  系统调用的实现是在内核完成的，而用户态的函数是在函数库中实现的调用printf() c库中的printf() c库中的write() sys_write()系统调用应用程序 C库内核 1.10 系统调用与操作系统命令系统调用与操作系统命令  操作系统命令相对应用编程接口更高一层，每个操作系统命令都是一个可执行程序，比如ls、 hostname等，  操作系统命令的实现调用了系统调用  通过strace命令可以查看操作系统命令所调用的系统调用，如：  strace ls  strace hostname 1.11 系统调用与内核函数系统调用与内核函数  内核函数在形式上与普通函数一样，但它是在内核实现的，需要满足一些内核编程的要求  系统调用是用户进程进入内核的接口层，它本身并非内核函数，但它是由内核函数实现的  进入内核后，不同的系统调用会找到各自对应的内核函数，这些内核函数被称为系统调用的“服务例程” 1.12 系统调用处理程序及服务例程系统调用处理程序及服务例程  当用户态的进程调用一个系统调用时，CPU切换到内核态并开始执行一个内核函数  系统调用处理程序执行下列操作：  在内核栈保存大多数寄存器的内容  调用名为系统调用服务例程（system call service routine）的相应的C函数来处理系统调用  通过ret_from_sys_call( )函数从系统调用返回 1.13 调用一个系统调用调用一个系统调用 … xyz() … system_call: … sys_xyz() … ret_from_sys_call : … iret xyz(){ … int 0x80 … ｝ sys_xyz( ){ … ｝在应用程序在libc标准库系统调用系统调用调用系统调用中的封装例程处理程序服务例程（API）用户态内核态新的系统调用sysenter指令，从用户态到内核态快速切换方法 1.14 初始化系统调用初始化系统调用  内核初始化期间调用 trap_init() 函数建立 IDT

表

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中 128(0x80)号向量对应的表项：  set_system_gate(0x80， &system_call);  该调用把下列值装入该门描述符的相应域：  segment selector：内核代码段__KERNEL_CS的段选择符  offest：指向system_call( )异常处理程序  type：置为15，表示该异常是一个陷入  DPL（描述符特权级）：置为3，这就允许用户态进程调用这个异常处理程序为 int 0x80 做好了准备 1.15 数据结构和代码数据结构和代码 与系统调用相关的内核代码文件：  arch/i386/kernel/entry.S 系统调用时的内核栈 sys_call_table system_call和ret_from_sys_call  arch/i386/kernel/traps.c //错误处理程序文件  include/linux/unistd.h 系统调用编号宏定义展开系统调用 1.16 系统调用时的内核栈系统调用时的内核栈用户空间ss 用户空间esp EFLAGS 用户空间cs 用户空间eip 系统调用号可用空间可用空间 eip 函数返回地址局部变量用户栈内核栈中断后及iret 返回前的esp 内核ss 向外返回向内中断中断前及iret 返回后的esp 用户ss task_struct 2.6 kernel: thread_info 1.17 系统调用时的内核栈系统调用时的内核栈((续续)) 18 * Stack layout in 'ret_from_system_call': 19 * ptrace needs to have all regs on the stack. 20 * if the order here is changed, it needs to be 21 * updated in fork.c:copy_process, signal.c:do_signal, 22 * ptrace.c and ptrace.h 23 * 24 * 0(%esp) - %ebx 25 * 4(%esp) - %ecx 26 * 8(%esp) - %edx 27 * C(%esp) - %esi 28 * 10(%esp) - %edi 29 * 14(%esp) - %ebp 30 * 18(%esp) - %eax 31 * 1C(%esp) - %ds 32 * 20(%esp) - %es 33 * 24(%esp) - orig_eax 34 * 28(%esp) - %eip 35 * 2C(%esp) - %cs 36 * 30(%esp) - %eflags 37 * 34(%esp) - %oldesp 38 * 38(%esp) - %oldss 39 * 40 * "current" is in register %ebx during any slow entries. arch/i386/kernel/entry.S 1.18 system_callsystem_call()()函数函数 system_call()函数实现了系统调用中断处理程序： 1. 它首先把系统调用号和该异常处理程序用到的所有CPU寄存器保存到相应的栈中， SAVE_ALL 2. 把当前进程task_struct （thread_info）结构的地址存放在ebx中 3. 对用户态进程传递来的系统调用号进行有效性检查。若调用号大于或等于NR_syscalls，系统调用处理程序终止。（sys_call_table） 4. 若系统调用号无效，函数就把-ENOSYS值存放在栈中eax寄存器所在的单元，再跳到ret_from_sys_call() 5. 根据eax中所包含的系统调用号调用对应的特定服务例程 1.19 system_callsystem_call ((续续)) 194 ENTRY(system_call) 195 pushl %eax # save orig_eax 196 SAVE_ALL 197 GET_CURRENT(%ebx)/*获取当前进程的task_strut指针 198 testb $0x02,tsk_ptrace(%ebx) # PT_TRACESYS 199 jne tracesys 200 cmpl $(NR_syscalls),%eax 201 jae badsys 202 call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4) 203 movl %eax,EAX(%esp) # save the return value 2.6: GET_THREAD_INFO(%ebp) 1.20 system_callsystem_call ((续续)) ENTRY(ret_from_sys_call) cli # need_resched and signals atomic test,关中断 cmpl $0,need_resched(%ebx) jne reschedule cmpl $0,sigpending(%ebx) jne signal_return restore_all: RESTORE_ALL 1.21 SAVE_ALLSAVE_ALL定义定义 #define SAVE_ALL cld; \ pushl %es; \ pushl %ds; \ pushl %eax; \ pushl %ebp; \ pushl %edi; \ pushl %esi; \ pushl %edx; \ pushl %ecx; \ pushl %ebx; \ movl $(__KERNEL_DS),%edx; \ movl %edx,%ds; \ movl %edx,%es; \ 使用内核数据段 1.22 RESTORE_ALLRESTORE_ALL定义定义 #define RESTORE_ALL \ popl %ebx; \ popl %ecx; \ popl %edx; \ popl %esi; \ popl %edi; \ popl %ebp; \ popl %eax; \ 1: popl %ds; \ 2: popl %es; \ addl $4,%esp;\ 3: iret; \ 1.23 sys_call_tablesys_call_table arch/i386/kernel/syscall_table.S ENTRY(sys_call_table) .long sys_restart_syscall /* 0 - old "setup()" system call, used for restarting */ .long sys_exit /* 1 */ .long sys_fork .long sys_read .long sys_write .long sys_open /* 5 */ .long sys_close … .long sys_ioprio_get /* 290 */ .long sys_inotify_init .long sys_inotify_add_watch .long sys_inotify_rm_watch 1.24 sys_call_tablesys_call_table ((续续)) 1.25 1.26 系统调用中参数传递系统调用中参数传递  每个系统调用至少有一个参数，即通过eax寄存器传递来的系统调用号  用寄存器传递参数必须满足两个条件：  每个参数的长度不能超过寄存器的长度  参数的个数不能超过6个（包括eax中传递的系统调用号），否则，用一个单独的寄存器指向进程地址空间中这些参数值所在的一个内存区即可  在少数情况下，系统调用不使用任何参数  服务例程的返回值必须写到eax寄存器中 1.27 系统调用编号系统调用编号 Include/asm-i386/unistd.h #define __NR_restart_syscall 0 #define __NR_exit 1 #define __NR_fork 2 #define __NR_read 3 #define __NR_write 4 #define __NR_open 5 #define __NR_close 6 …… #define __NR_ioprio_get 290 #define __NR_inotify_init 291 #define __NR_inotify_add_watch 292 #define __NR_inotify_rm_watch 293 #define NR_syscalls 294 1.28 宏定义展开系统调用宏定义展开系统调用  宏定义syscallN()用于系统调用的格式转换和参数的传递。 Include/asm-i386/unistd.h #define _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) \ type name(type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), "d" ((long)(arg3))); \ __syscall_return(type,__res); \ } 第一个”:”是output 第二个”:”是input 1.29 系统调用中普通参数的传递系统调用中普通参数的传递  3个参数系统调用生成汇编代码 movl $__NR_##name, %eax //系统调用号给eax寄存器 movl arg1, %ebx movl arg2, %ecx movl arg3, %edx #APP int $0x80 #NO_APP movl %eax, __res //最后处理输出参数  syscallN()第一个参数说明响应函数返回值的类型，第二个参数为系统调用的名称（即name），其余的参数依次为系统调用参数的类型和名称。例如： _syscall3(int, open, const char * pathname, int flag, int mode) 说明了系统调用命令 int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode) 1.30 系统调用参数与寄存器系统调用参数与寄存器参数参数在堆栈的位置传递参数的寄存器 arg1 00(%esp) ebx arg2 04(%esp) ecx arg3 08(%esp) edx arg4 0c(%esp) esi arg5 10(%esp) edi 1.31 系统调用小结系统调用小结  程序执行系统调用大致可归结为以下几个步骤：  1、程序调用libc库的封装函数。  2、调用软中断 int 0x80 进入内核。  3、在内核中首先执行system_call函数，接着根据系统调用号在系统调用表中查找到对应的系统调用服务例程。  4、执行该服务例程。  5、执行完毕后，转入ret_from_sys_call例程，从系统调用返回 1.32 例：系统调用例：系统调用getuidgetuid()()的实现的实现  一个简单的程序，但包含系统调用和库函数调用 #include /* all system calls need this header */ int main(){ int i = getuid(); printf(“Hello World! This is my uid: %d\n”, i); }  假定定义了“宏” _syscall0( int, getuid); 1.33 例：系统调用例：系统调用getuidgetuid()()的实现的实现((续续))  这个“宏”被getuid()展开后 int getuid(void) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80" : "=a" (__res) : "" (__NR_getuid)); __syscall_return(int,__res); }  显然，__NR_getuid（24）放入eax，并int 0x80 1.34 例：系统调用例：系统调用getuidgetuid()()的实现的实现((续续))  因为系统初始化时设定了 set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call);  所以进入system_call 194 ENTRY(system_call) 195 pushl %eax # save orig_eax 196 SAVE_ALL 197 GET_CURRENT(%ebx) 198 testb $0x02,tsk_ptrace(%ebx) # PT_TRACESYS 199 jne tracesys 200 cmpl $(NR_syscalls),%eax 201 jae badsys 202 call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4) 203 movl %eax,EAX(%esp) 1.35 例：系统调用例：系统调用getuidgetuid()()的实现的实现((续续))  注意第202行，此时eax为24  查sys_call_table，得到call指令的操作数 sys_getuid16  调用函数sys_getuid16() 145 asmlinkage long sys_getuid16(void) 146 { 147 return high2lowuid(current->uid); 148 } 1.36 例：系统调用例：系统调用getuidgetuid()()的实现的实现((续续))  第202行完成后，接着执行第203行后面的指令 203 movl %eax,EAX(%esp) 204 ENTRY(ret_from_sys_call) 205 cli 206 cmpl $0,need_resched(%ebx) 207 jne reschedule 208 cmpl $0,sigpending(%ebx) 209 jne signal_return 210 restore_all: 211 RESTORE_ALL 1.37 例：系统调用例：系统调用getuidgetuid()()的实现的实现((续续))  第203行：返回值从eax移到堆栈中eax的位置  假设没有什么意外发生，于是 ret_from_sys_call直接到RESTORE_ALL，从堆栈里面弹出保存的寄存器，堆栈切换，iret  进程回到用户态，返回值保存在eax中  printf打印出 Hello World! This is my uid：551 1.38 实验：添加一个系统调用实验：添加一个系统调用mysyscallmysyscall 实验内容：在现有的系统中添加一个不用传递参数的系统调用。这个系统调用的功能是实现遍历进程。 1.39 添加一个系统调用添加一个系统调用mysyscallmysyscall ((续续))  确定系统调用名字和编号：__NR_mysyscall，223  改写/usr/include/unistd.h和 /usr/include/asm/unistd.h  改写内核源代码树的include/asm/unistd.h #define __NR_fcntl64l 221 /* 223 is unused*/ #define __NR_mysyscall 223 #define __NR_gettid 224 内核版本不一样，这个是 2.6.15 kernel 1.40 添加一个系统调用添加一个系统调用mysyscallmysyscall ((续续))  内核中实现该系统调用的程序的名字 sys_mysyscall  改写arch/x86/kernel/syscall_table_32.S …… 233 .long sys_mysyscall 234 .long sys_gettid 235 .long sys_readahead /* 225 */ …… .long sys_mysyscall /*2.6.15 1.41 添加一个系统调用添加一个系统调用mysyscallmysyscall ((续续)) 把一小段程序添加在kernel/sys.c asmlinkage int sys_mysyscall(void) { //在此处加入遍历进程的代码； return 0; } 记得重新编译内核，启动新内核 1.42 添加一个系统调用添加一个系统调用mysyscallmysyscall ((续续))  编写一段测试程序检验实验结果test.c #include _syscall0(int,mysyscall) /* 注意这里没有分号 */ int main() { mysyscall(); /* */ //在此加入输出遍历的进程信息的代码； }  用gcc编译源程序 # gcc –o test test.c  运行程序 # ./test 内核版本不一样，这里是 2.6.15 kernel 1.43 test.ctest.c  在近期的Linux内核版本中，宏_syscall0()至_syscall6() 不再定义在/usr/include/asm/unistd.h中，因此需要使用 syscall()函数实现系统调用。  用户态测试程序可以用如下方法实现 #include # include #define __NR_ mysyscall 223 int main() { syscall(__NR_mysyscall) /*或syscall(223) */ //在此加入输出遍历的进程信息的代码； } 系统调用号根据实验具体数字而定 1.44 实验实验 实验3 添加系统调用系统调用本章内容一个简单的例子为什么需要系统调用为什么需要系统调用(续) 为什么需要系统调用(续) 运行模式、地址空间、上下文运行模式、地址空间、上下文系统调用、API和C库系统调用与操作系统命令系统调用与内核函数系统调用处理程序及服务例程调用一个系统调用初始化系统调用数据结构和代码系统调用时的内核栈系统调用时的内核栈(续) system_call()函数 system_call (续) system_call (续) SAVE_ALL定义 RESTORE_ALL定义 sys_call_table sys_call_table (续) 幻灯片编号 25 系统调用中参数传递系统调用编号宏定义展开系统调用系统调用中普通参数的传递系统调用参数与寄存器系统调用小结例：系统调用getuid()的实现例：系统调用getuid()的实现(续) 例：系统调用getuid()的实现(续) 例：系统调用getuid()的实现(续) 例：系统调用getuid()的实现(续) 例：系统调用getuid()的实现(续) 实验：添加一个系统调用mysyscall 添加一个系统调用mysyscall (续) 添加一个系统调用mysyscall (续) 添加一个系统调用mysyscall (续) 添加一个系统调用mysyscall (续) test.c 实验

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