Linux系统调用过程

Linux系统调用过程

 

一. 概述

         系统调用是应用程序与内核交互的一种方式。系统调用作为一种接口，通过系统调用，应用程序能够进入操作系统内核，从而使用内核提供的各种资源，比如操作硬件，开关中断，改变特权模式等等。首先，系统调用是一个软中断，既然是中断那么一般就具有中断号和中断处理程序两个属性，Linux使用0x80号中断作为系统调用的入口，而中断处理程序的地址放在中断向量表里。  www.2cto.com  

 

二. 过程

         基于linux-2.6.38，以read()系统调用函数为例进行说明。    

       在用户空间，read()函数的声明位于#include<unistd.h>，原型为：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)。下面是read()函数在用户空间的定义的伪代码：

 

 1 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)

 2 {

 3        long res;

 4        %eax = __NR_read

 5        %ebx = fd 

 6        %ecx = (long)buf

 7        %edx= count

 8        int $0x80

 9        res = %eax

10        return res;

11 }

 

         第4行，用eax寄存器保存read()的系统调用号，在/arch/x86/include/asm/unistd_32.h里定义（#define __NR_read  3）；第5～7行，分别将三个参数放入三个寄存器（通过寄存器来传递参数）；第8行，执行系统调用，进入内核；第9行，获取eax寄存器所保存的函数返回值。

       执行第8行后已经进入了系统内核，由于这是一个中断，因此程序进入到中断向量表中记录0x80号的中断处理程序，中断向量表的初始化在/arch/x86/kernel/traps.c中定义：

 

 1 void __init trap_init(void)

 2 {

 3 ...................

 4   www.2cto.com  

 5    #ifdef CONFIG_X86_32

 6        set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);

 7        set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);

 8    #endif

 9 ...................

10 }

 

如第6行所示。SYSCALL_VECTOR是系统调用的中断号，在/arch/x86/include/asm/irq_vectors.h中定义：

1 #ifdef CONFIG_X86_32

2 # define SYSCALL_VECTOR            0x80

3 #endif

正好是0x80。而system_call是系统调用的中断处理函数指针，用户执行int $0x80后会执行到这个函数，它在/arch/x86/kernel/entry_32.S中定义：

 

 1 ENTRY(system_call)

 2     RING0_INT_FRAME            # can't unwind into user space anyway

 3     pushl_cfi %eax            # save orig_eax

 4     SAVE_ALL

 5     GET_THREAD_INFO(%ebp)

 6                     # system call tracing in operation / emulation

 7     testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)

 8     jnz syscall_trace_entry

 9     cmpl $(nr_syscalls), %eax

10     jae syscall_badsys

11 syscall_call:

12     call *sys_call_table(,%eax,4)

13     movl %eax,PT_EAX(%esp)        # store the return value

...........

 

第4行，SAVE_ALL是一个宏，也在这个文件里定义：

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 1 .macro SAVE_ALL

 2     cld

 3     PUSH_GS

 4     pushl_cfi %fs

 5     /*CFI_REL_OFFSET fs, 0;*/

 6     pushl_cfi %es

 7     /*CFI_REL_OFFSET es, 0;*/

 8     pushl_cfi %ds

 9     /*CFI_REL_OFFSET ds, 0;*/

10     pushl_cfi %eax

11     CFI_REL_OFFSET eax, 0

12     pushl_cfi %ebp

13     CFI_REL_OFFSET ebp, 0

14     pushl_cfi %edi

15     CFI_REL_OFFSET edi, 0

16     pushl_cfi %esi

17     CFI_REL_OFFSET esi, 0

18     pushl_cfi %edx

19     CFI_REL_OFFSET edx, 0

20     pushl_cfi %ecx

21     CFI_REL_OFFSET ecx, 0

22     pushl_cfi %ebx

23     CFI_REL_OFFSET ebx, 0

24     movl $(__USER_DS), %edx

25     movl %edx, %ds

26     movl %edx, %es

27     movl $(__KERNEL_PERCPU), %edx

28     movl %edx, %fs

29     SET_KERNEL_GS %edx

30 .endm

 

主要作用就是将各个寄存器压入栈中。

第9行，比较eax的值是否大于等于nr_syscalls，nr_syscalls是比最大有效系统调用号大1的值，在/arch/x86/kernel/entry_32.S中定义：

1 #define nr_syscalls ((syscall_table_size)/4)

其中syscall_table_size就是系统调用表的大小（单位：字节），syscall_table_size其实是一个数组，数组里存放的是各个系统调用函数的地址，元素类型是long型，除以4刚好是系统调用函数的个数。

如果从eax寄存器传进来的系统调用号有效，那么就执行第12行，在系统调用表里找到相应的系统调用服务程序，sys_call_table在/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S中定义：

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1 ENTRY(sys_call_table)

2     .long sys_restart_syscall    /* 0 - old "setup()" system call, used for restarting */

3     .long sys_exit

4     .long ptregs_fork

5     .long sys_read

6     .long sys_write

7     .long sys_open        /* 5 */

8     .long sys_close

9 .................

 

*sys_call_table(,%eax,4)指的是sys_call_table里偏移量为%eax*4上的那个值指向的函数，这里%eax=3，那么第5行的sys_read()函数就会被调用。sys_read()在/fs/read_write.c中定义：

 

 1 SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)

 2 {       

 3         struct file *file;      

 4         ssize_t ret = -EBADF;

 5         int fput_needed;

 6         

 7         file = fget_light(fd, &fput_needed);

 8         if (file) {

 9                 loff_t pos = file_pos_read(file);

10                 ret = vfs_read(file, buf, count, &pos);

11                 file_pos_write(file, pos);

12                 fput_light(file, fput_needed);

13         }

14         

15         return ret;

16 } 

 

可见，参数的形式和用户空间的一样。SYSCALL_DEFINE3是一个宏，在/include/linux/syscalls.h中定义：

1 #define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)

SYSCALL_DEFINEx也是一个宏，也在此文件中定义：

1 #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)                \

2     __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)

3 .....  www.2cto.com  

4 #define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...)                    \

5     asmlinkage long sys##name(__SC_DECL##x(__VA_ARGS__))

6 ......
 

宏展开后，就是声明了这么一个函数：

asmlinkage long sys_read(unsigned int fd, char __user *buf, size_t count);

asmlingage是一个宏，定义为：__attribute__((regparm(0)))，作用是让这个函数只从栈上获取参数（因为之前的SAVE_ALL将参数压到了栈里面）。

      当执行完中断处理程序后，后面会调用RESTORE_REGS来恢复各个寄存器：

1 ..............

2     CFI_REMEMBER_STATE

3     je ldt_ss            # returning to user-space with LDT SS

4 restore_nocheck:

5     RESTORE_REGS 4            # skip orig_eax/error_code

6 ...............

第5行，RESTORE_REGS的定义：

 

 1 .macro RESTORE_REGS pop=0

 2     RESTORE_INT_REGS

 3 1:    popl_cfi %ds

 4     /*CFI_RESTORE ds;*/

 5 2:    popl_cfi %es

 6     /*CFI_RESTORE es;*/

 7 3:    popl_cfi %fs

 8     /*CFI_RESTORE fs;*/

 9     POP_GS \pop

10 .................

 

第2行，RESTORE_INT_REGS的定义：

  www.2cto.com  

 1 .macro RESTORE_INT_REGS

 2     popl_cfi %ebx

 3     CFI_RESTORE ebx

 4     popl_cfi %ecx

 5     CFI_RESTORE ecx

 6     popl_cfi %edx

 7     CFI_RESTORE edx

 8     popl_cfi %esi

 9     CFI_RESTORE esi

10     popl_cfi %edi

11     CFI_RESTORE edi

12     popl_cfi %ebp

13     CFI_RESTORE ebp

14     popl_cfi %eax

15     CFI_RESTORE eax

16 .endm

 

到这里差不多了，再对read()跟踪的话就会涉及文件系统方面的内容，以后会说的。

 

 

作者 lknlfy