Lab2-深入理解系统调用

Posted 2020-12-22 pghzl-123

 写在前面的实验要求

• 找一个系统调用，系统调用号为学号最后2位相同的系统调用。【学号末尾是94，故采用194号系统调用 listxattr 】
• 通过汇编指令触发该系统调用
• 通过gdb跟踪该系统调用的内核处理过程
• 重点阅读分析系统调用入口的保存现场、恢复现场和系统调用返回，以及重点关注系统调用过程中内核堆栈状态的变化

一、系统调用概述

1、我们知道，宏观上 Linux 操作系统的体系架构分为?户态和内核态。

从用户态进入内核态的方式有

• 外部中断（硬件中断）
• 内部中断（异常）：故障（fault）和陷阱（trap）

系统调?就是利?陷阱（trap）这种软件中断?式主动从?户态进?内核态的。

2、系统调?的意义是操作系统为?户态进程与硬件设备进?交互提供了?组接?。

系统调?的库函数就是我们使?的操作系统提供的 API（应?程序编程接?），API 只是函数定义。系统调?是通过特定的软件中断（陷阱 trap）向内核发出服务请求，int $0x80和syscall指令的执?就会触发?个系统调?。C库函数内部使?了系统调?的封装例程，其主要?的是发布系统调?，使程序员在写代码时不需要?汇编指令和寄存器传递参数来触发系统调?。?般每个系统调?对应?个系统调?的封装例程，函数库再?这些封装例程定义出给程序员调?的 API，这样把系统调?最终封装成?便程序员使?的C库函数。

二、环境准备

1、安装开发工具

1 sudo apt install build-essential
2 sudo apt install qemu 
3 sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
4 sudo apt install axel

2、下载内核源码

1 axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
2 xz -d linux-5.4.34.tar.xz
3 tar -xvf linux-5.4.34.tar cd linux-5.4.34

3、配置内核选项

 1 make defconfig #Default configuration is based on ‘x86_64_defconfig‘
 2 make menuconfig
 3 //打开debug相关选项
 4 Kernel hacking --->
 5     Compile-time checks and compiler options --->
 6         [*] Compile the kernel with debug info
 7         [*] Provide GDB scripts for kernel debugging [*] Kernel debugging
 8 //关闭KASLR，否则会导致打断点失败
 9 Processor type and features ---->
10     [] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

4、编译和运行内核

1 make -j$(nproc)
2 //测试一下内核能不能正常加载运行，因为没有文件系统最终会kernel panic
3 qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage //此时应该无法正常运行

 

 5、制作根文件系统

下载 busybox源代码解压

1 axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
2 tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2
3 cd busybox-1.31.1

配置编译 并安装

1 make menuconfig
2 记得要编译成静态链接，不用动态链接库。
3 Settings --->
4     [*] Build static binary (no shared libs)
5 然后编译安装，默认会安装到源码目录下的 _install 目录中。
6 make -j$(nproc) && make install

6、制作内存根文件系统镜像

1 mkdir rootfs
2 cd rootfs
3 cp ../busybox-1.31.1/_install/* ./ -rf
4 mkdir dev proc sys home
5 sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

7、 准备init脚本文件放在根文件系统跟目录下(rootfs/init)，添加如下内容到init文件。

1 #!/bin/sh
2 mount -t proc none /proc mount -t sysfs none /sys
3 echo "Wellcome MengningOS!" echo "--------------------"
4 cd home
5 /bin/sh

8、给init脚本添加可执行权限

1 chmod +x init

打包成内存根文件系统镜像

1 find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

测试挂载根文件系统，看内核启动完成后是否执行init脚本【运行截图如下所示】

1 qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

 

 三、查看系统调用并编写调用汇编代码

1、打开/linux-5.4.34/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl，查看要选择进行实验的系统调用。

 

 

 2、下面，我们先看一个 listxattr.c函数来熟悉一下这个系统调用的功能

ssize_t  listxattr(const char *path, char *list, size_t size);  返回值是path路径下，扩展属性值的大小，包括；

在rootfs/home目录下新建listxattr1.c文件；

 

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <string.h>
 3 #include <sys/xattr.h>
 4 #include <sys/types.h>
 5 
 6 //先在test目录下设置扩展属性
 7 void testset(){
 8     char key[7] = {‘u‘,‘s‘,‘e‘,‘r‘,‘.‘,‘#‘,‘‘};
 9     char value[2] = {‘#‘,‘‘};
10     int i, ret;
11  
12     for(i = 0; i < 10; i++){
13     key[5] = value[0] = ‘0‘+i;
14     ret = setxattr("test", key, value, 2, 0);
15     }
16 }
17 
18 //然后再列出相应路径下的扩展属性，并打印扩展属性值的大小
19 void testlist(){
20     char buf[1000];
21     int ret, i=0, j = 0;
22     printf("The key on test are:
");
23     ret = listxattr("test", buf, 1000);
24     while(i < ret){
25     printf("%s
", buf+i);
26     i += strlen(buf+i);
27     i++;
28     }
29    printf("the size of key on test:
");
30    printf("%d
",ret);
31 }
32 
33 int main(){
34     testset();
35     testlist();
36     return 0;
37 }

1 gcc -o listxattr1 listxattr1.c -static
2 ./listxattr1

运行结果如下所示：

 

 

 3、编写内嵌汇编代码，手动触发系统调用

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <string.h>
 3 #include <sys/xattr.h>
 4 #include <sys/types.h>
 5 
 6 void testset(){
 7     char key[7] = {‘u‘,‘s‘,‘e‘,‘r‘,‘.‘,‘#‘,‘‘};
 8     char value[2] = {‘#‘,‘‘};
 9     int i, ret;
10 
11     for(i = 0; i < 10; i++){
12     key[5] = value[0] = ‘0‘+i;
13     ret = setxattr("test", key, value, 2, 0);
14     }
15 }
16 
17 
18 void testlist(){
19     char buf[1000];
20     char *path = "test";
21     int size = 1000;
22     int ret, i=0, j = 0;
23     printf("The key on test are:
");
24     //ret = listxattr("test", buf, 1000);
25 
26     asm volatile(
27             "movl %3, %%edx
	" //参数3
28             "movq %2, %%rsi
	" //参数2
29             "movq %1, %%rdi
	" //参数1
30             "movl $0xC2, %%eax
	" //传递系统调用号
31             "syscall
	" //系统调用
32             "movq %%rax,%0
	"  //结果存到%0 就是ret中
33             :"=m"(ret) //输出
34             :"a"(path),"b"(buf),"c"(1000) //输入
35 
36     );
37 
38     while(i < ret){
39     printf("%s
", buf+i);
40     i += strlen(buf+i);
41     i++;
42     }
43    printf("the size of key on test:
");
44    printf("%d
",ret);
45 }
46 
47 int main(){
48     testset();
49     testlist();
50     return 0;
51 }

执行过程和运行结果如下：

 4、重新制作根文件系统

 1 find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz 

四、gdb调试与分析

1. 纯命令行下启动qemu

 1 qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0" 

此时虚拟机一启动就会暂停

 

 然后再打开一个终端窗口，在linux源码目录下启动gdb gdb vmlinux  ，把内核符号表加载进来，建?连接 target remote:1234 

 

 

 2、给相应的系统调用打上断点：

 

3、 gdb输入命令c，继续执行直到断点处，可以将两个终端分离，这样便于观察gdb输入命令后，程序的执行过程：

 

  4、  执行  ./listxattr1

   可以看到程序的执行卡住了，同时gdb窗口显示了断点信息

 

  5、在gdb窗口中使用命令list列出listxattr的相关代码，

 

 6、gdb单步调试过程如下所示：

 

 

 

 

 7、接下来根据gdb窗口提示信息对系统调用过程进行详细分析：

1）汇编指令syscall 触发系统调用，通过MSR寄存器找到了中断函数入口，使用bt查看汇编代码：

 entry_SYSCALL_64这段汇编代码中调用了do_syscall_64这个函数，

 

 

 2）跳转到  /linux-5.4.34/arch/x86/entry/common.c 目录下，执行  do_syscall_64 ，这个函数获得系统调用号，并保护现场

3） 通过系统调用号在系统调用表中找到相应的系统调用内核处理函数，例如此处在 fs/xattr.c 文件下查看 path_listxattr 函数；

 

 4）调用结束，开始恢复现场，程序执行 arch/x86/entry/common.c 里面的  syscall_return_slowpath(regs); 

 接着程序接着执行 arch/x86/entry/entry_64.S ,进行现场恢复，完成堆栈切换；