Socket与系统调用深度分析

Posted 2021-03-22 lyp1020k

系统调用简介

系统调用就是用户在程序中调用操作系统所提供的一些子功能，系统调用可以被看做特殊的公共子程序。系统中的各种资源都由操作系统统一掌管，因此在用户程序中，凡是与资源有关的操作（如存储分配、进行I/0传输以及管理文件等)，都必须通过系统调用方式向操作系统提出服务请求，并由操作系统代为完成。通常，一个操作系统提供的系统调用命令有几十乃至上百条之多。

这些系统调用按功能大致可分为如下几类：

• 设备管理。完成设备的请求或释放，以及设备启动等功能。
• 文件管理。完成文件的读、写、创建及删除等功能。
• 进程控制。完成进程的创建、撤销、阻塞及唤醒等功能。
• 进程通信。完成进程之间的消息传递或信号传递等功能。
• 内存管理。完成内存的分配、回收以及获取作业占用内存区大小及始址等功能

显然，系统调用运行在系统的核心态。通过系统调用的方式来使用系统功能，可以保证系统的稳定性和安全性，防止用户随意更改或访问系统的数据或命令。系统调用命令是由操作系统提供的一个或多个子程序模块实现的。

这样，操作系统的运行环境可以理解为：用户通过操作系统运行上层程序（如系统提供的命令解释程序或用户自编程序)，而这个上层程序的运行依赖于操作系统的底层管理程序提供服务支持，当需要管理程序服务时，系统则通过硬件中断机制进入核心态，运行管理程序；也可能是程序运行出现异常情况，被动地需要管理程序的服务，这时就通过异常处理来进入核心态。当管理程序运行结束时，用户程序需要继续运行，则通过相应的保存的程序现场退出中断处理程序或异常处理程序，返回断点处继续执行。

在操作系统这一层面上，我们关心的是系统核心态和用户态的软件实现和切换，对于硬件层面的具体理解，可以结合“计算机组成原理”课程中有关中断的内容进行学习。

下面列举一些由用户态转向核心态的例子：

• 用户程序要求操作系统的服务，即系统调用。
• 发生一次中断。
• 用户程序中产生了一个错误状态。
• 用户程序中企图执行一条特权指令。
• 从核心态转向用户态由一条指令实现，这条指令也是特权命令。一般是中断返回指令。

注意：由用户态进入核心态，不仅仅是状态需要切换。而且，所使用的堆栈也可能需要由用户堆栈切换为系统堆栈，但这个系统堆栈也是属于该进程的。

 

Socket简介

Socket又称套接字，是基于应用服务与TCP/IP通信之间的一个抽象，它是计算机之间进行通信的一种约定或一种方式。通过socket这种约定，一台计算机可以接收其他计算机的数据，也可以向其他计算机发送数据。socket是用来连接到因特网的工具。将TCP/IP协议里面的通信逻辑进行分装，只要通过一组简单的API就可以实现网络的链接。

socket中TCP的三次握手建立连接详解
我们知道tcp建立连接要进行“三次握手”，即交换三个分组。大致流程如下：

1.客户端向服务器发送一个SYN J
2.服务器向客户端响应一个SYN K，并对SYN J进行确认ACK J+1
3.客户端再想服务器发一个确认ACK K+1

 

过程分析

1.执行int 0x80指令后系统从用户态进入内核态，跳到system_call()函数处执行相应服务进程。在此过程中内核先保存中断环境，然后执行系统调用函数。
2.system_call()函数通过系统调用号查找系统调用表sys_cal_table来查找具体系统调用服务进程。
syscall_call 函数到系统调用服务例程通过系统调用号联系起来：在上面执行软中断 0x80 时，系统调用号会被放入eax寄存器（参数的传递），system_call 函数读取eax寄存器获取参数（当前系统调用的调用号），将其乘以4生成偏移地址。然后以中断向量表（sys_call_table）为基址，以系统调用号所确定的为偏移地址相加得到最后的物理地址：基址＋偏移地址 => 系统调用服务例程的地址。其中 sys_call_table 基址在文件 arch/x86/kernel/syscall_table_32.S 中定义，同时表中每一项例程的地址占用4个字节，所以上面乘以4。
由于系统调用例程在定义时时用 asmlinkage 标记了的，所以编译器仅从堆栈中获取该函数的参数。在进入system_call函数前，用户应用会把参数存放到寄存器中，system_call 函数执行时会首先把这些寄存器压入堆
　
3.执行完系统调用后，iret之前，内核会检查是否有新的中断产生、是否需要进程切换、是否学要处理其它进程发送过来的信号等。如果没有新的中断，则通过已保存的系统中断环境返回用户态。这样就完成了一个系统调用过程。系统调用通过 INT 0x80 进入内核，跳转到 system_call()
4.内核是处理各种系统调用的中断集合，通过中断机制实现进程上下文的切换，通过系统调用管理整个计算机软硬件资源。
5.如没有新的中断，restore保存的中断环境并返回用户态完成一个系统调用过程。

int __sys_socket(int family, int type, int protocol)
{
    int retval;
    struct socket *sock;
    int flags;
 
    /* Check the SOCK_* constants for consistency.  */
    BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC != O_CLOEXEC);
    BUILD_BUG_ON((SOCK_MAX | SOCK_TYPE_MASK) != SOCK_TYPE_MASK);
    BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC & SOCK_TYPE_MASK);
    BUILD_BUG_ON(SOCK_NONBLOCK & SOCK_TYPE_MASK);
 
    flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
    if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
        return -EINVAL;
    type &= SOCK_TYPE_MASK;
 
    if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
        flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;
 
    retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
    if (retval < 0)
        return retval;
 
    return sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
}
 
SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
{
    return __sys_socket(family, type, protocol);
}

　　查看调用情况