读薄《Linux 内核设计与实现》 - 系统调用

Posted 2020-07-29 冰水比水冰

这篇文章是《读薄「Linux 内核设计与实现」》系列文章的第 III 篇，本文主要讲了以下问题：系统调用的概念、系统调用的实现原理与过程以及如何在 Linux 中增加一个系统调用。

0x00 系统调用的概念

系统调用是为了和用户空间上的进程进行交互，内核提供的一组界面。

• 应用程序通过这组界面访问硬件和其他操作系统资源

• 完成对硬件和资源的访问控制

• 硬件设备的抽象（提供设备的独立性）

0x01 系统调用简介

I 常用系统调用

• fork(), exec(), open(), read(), write(), close(),……

• 目前 Linux 系统调用 300 多个

II 应用程序及系统调用的层次关系

应用程序通过在用户空间实现的 API 而不是直接通过系统调用来编程

例：调用 printf() 函数时，应用程序、C 库和内核的关系：
应用程序调用 printf() -> C 库中的 printf() -> C 库中的 write() -> 内核中的 write() 系统调用

0x02 Linux 系统调用实现原理

I 相关概念

• int 80H：软中断，通知内核的机制是靠软中断实现的，第128号中断处理程序

• IVT（Interrupt Vector Table）：中断向量表，包括所有中断程序入口地址，它固定存放于内存中（实模式下应用）

• IDT（Interrupt Descriptor Table）：中断描述符表，不固定内存位置，通过 IDTR 寄存器定位该表（保护模式下应用，int 80H 占据其中一项）

• syscall table：系统调用表

• 系统调用号： 在 Linux 中，每个系统调用被赋予一个系统调用号，表示它在表中的编号

II 系统调用的加载

操作系统在加载时做的有关系统调用的加载：

• int 80H 处理程序地址的加载：start_kernel()中的 trap_init()和 set_system_gate()

• 各系统调用处理程序的加载（entry.s）

III 系统调用过程(以 x86 为例)

首先，通过软中断陷入到 int 80h 中断中，促使系统切换到内核态去执行异常处理程序（系统调用处理程序）；之后，系统通过读取 eax 寄存器的值来获取系统调用号；之后，系统通过读取寄存器来获取传递的参数（ebx, ecx, edx, esi, edi）按照顺序存放前五个参数，如果参数为6个或以上，则将其中一个寄存器的值指向内存空间；最后，执行相应系统调用代码，完成系统调用

IV 系统调用的参数验证

系统调用必须仔细检查他们所有参数是否合法有效，如果用户将不合法的参数传递给内核，那么系统的安全和稳定将面临极大考验。

• 权限验证：系统调用的调用者可以使用 capable() 函数来检查是否有权能对制定的资源进行操作

• 指针合法性验证：在接受一个用户空间的指针之前，内核需要验证：

  • 指针指向的内存区域属于用户空间
  • 指针指向的内存区域在进程的地址空间里
  • 如果是读，该内存应被标记为可读；如果是写，该内存应被标记为可写；如果是可执行，进程决不能绕过内存访问限制

0x03 如何增加一个系统调用

• 增加系统调用函数（/kernel/sys.c）

• 把系统调用函数入口添加到 sys_call_table(entry.s)

• 添加系统调用号

0x04 系统调用的意义

• 它为用户提供了一种硬件的抽象接口

• 在保证系统稳定和安全的前提下提供服务，避免应用程序恣意横行

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