Linux内核设计第四周——扒开系统调用三层皮

Posted 2020-06-25 java_stx

Linux内核设计第四周

——扒开系统调用三层皮

一、知识点总结

（一）、系统调用基础知识

1、用户态和内核态

内核态：在高级别的状态下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址； 
用户态：在相应的低级别执行状态下，代码的掌控范围会受到限制。

区分： 
CPU每条指令的读取都是通过cs:eip，cs寄存器最低两位表明了当前代码的特权级。内核态下可访问所有地址空间。

• 0xc0000000（逻辑地址）以上的空间只能在内核态下访问
• 0x00000000 ~ 0xbfffffff 内核态和用户态均可访问

2、Intel x86 CPU有四种不同的执行级别0——3，Linux只是用了其中的0和3来表示内核态和用户态。

3、中断处理是是从用户态进入内核态的主要方式。系统调用只是一种特殊的中断。

4、用户态进入内核态需保存寄存器上下文：

• 用户态寄存器上下文保存
• 恢复内核态相应的寄存器值到CPU中

5、中断/int指令会在堆栈上保存一些寄存器的值。

• 如：用户态栈顶地址、当时的状态字、当时的cs:eip的值。

6、中断发生后的第一件事就是保存现场，结束前最后一件事是恢复现场。

• 保护现场就是进入中断程序 保存需要用到的寄存器的数据。
• 恢复现场就是推出中断程序 恢复保存寄存器的数据。

7、中断处理的完整过程

interrupt(ex:int 0x80)-save

• 保存了cs:eip、ss:esp、eflags到内核堆栈中
• 加载了cs:eip、ss:esp到CPU中

SAVE_ALL

• 完成中断服务，发生进程调度

RESTORE_ALL 
iret-pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack

(二)、系统调用概述

1、系统调用：操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口

2、系统调用的意义：

• 把用户从底层的硬件编程中解放出来
• 极大的提高了系统的安全性
• 使用户程序具有可移植性

3、API:应用编程接口

4、操作系统提供的API和系统调用的关系

• API：应用程序编程接口，是一个函数定义。
• 系统调用：通过软中断向内核发出一个明确的请求。

5、Lib库定义的一些API引用了封装例程——唯一的目的是发布系统调用

• 一般每个系统调用对应一个封装例程
• 库再用这些封装例程定义出给用户的API。

特点：

• API与系统调用不是一一对应的
• API可以直接提供用户态服务（如：数学函数）
• 一个单独的API可能调用几个系统调用
• 不同的API可能调用了同一个系统调用

返回值:

• 大部分封装例程返回一个整数，其值的含义依赖于相应的系统调用
• -1表示内核不能满足进程请求
• Libc中定义errno变量，包含特定出错码

6、系统调用三层皮

• API
• 中断向量
• 中断服务程序

7、系统调用的参数传递： 
（1）寄存器传递参数具有如下限制：

• 每个参数的长度不能超过寄存器的长度，即32位
• 在系统调用号（eax）之外，参数的个数不能超过6个（ebx， ecx，edx，esi，edi，ebp）
• 超过6个怎么办？把某一个寄存器作为一个指针，指向某一块内存。

(2)参数的种类

系统调用也需要输入输出参数 - 实际的值 - 用户态进程地址空间的变量的地址 - 甚至是包含指向用户态函数的指针的数据结构的地址

二、实验过程

我选择了调用39号系统调用mkdir，调用了系统函数sys_mkdir()

（一）直接进行系统调用的源代码如下图：

执行结果如下图：

（二）使用嵌入式汇编进行系统调用的源代码如下图：

执行结果如下图：

三、分析汇编代码调用系统调用的工作过程（参数的传递的方式）

如上的图片所示： mkdir系统调用

• （1）需要传递两个参数，第一个是要新建文件夹的路径，第二个是新建文件夹的权限。
• （2）有一个返回值，表示是否创建成功

我们在使用汇编代码调用系统函数sys_mkdir()时，需要利用寄存器传递参数，这里我选择，ebx、ecx寄存器传递两个参数、用eax寄存器传递返回值，只需要将输入的参数赋值给相应的寄存器即可，通过int指令，进入系统调用。

四、总结

阐明自己对“系统调用的工作机制”的理解。

• （1）系统调用，就是用户提供系统调用号和相关函数参数，就可以执行相应的功能。
• （2）而具体怎么实现是内核态在执行，用户是不需要考虑相关的堆栈变化，这样用户就可以轻松调用系统函数。

宋宸宁+ 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000