Linux内核分析——扒开系统调用的三层皮（下）

Posted 2020-06-29

一、给MenuOS增加time和time-asm命令

1、实验过程：

rm menu -rf   强制删除

git clone http://github.com/mengning/menu.git    克隆相关信息

make rootfs    一个脚本，自动编译自动生成根文件系统，并自动启动MenuOS

 

2、如何给MenuOS增加time和time-asm命令

　　（1）更新menu代码到最新版

　　（2）在test.c中的main函数里增加MenuConfig

　　（3）增加对应的Time函数和TimeAsm函数

　　（4）make rootfs 自动编译脚本

二、使用gdb跟踪系统调用内核函数sys_time

1、实验过程：

 

2、使用gdb跟踪调试内核

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

　　# 关于-s和-S选项的说明：

　　# -S freeze CPU at startup (use ’c’ to start execution)

　　# -s shorthand for -gdb tcp::1234 若不想使用1234端口，则可以使用-gdb tcp:xxxx来取代-s选项

3、跟踪系统调用内核函数sys_time：

gdb

   （gdb）file linux-3.18.6/vmlinux  //在gdb界面中targe remote之前加载符号表

   （gdb）target remote:1234  //建立gdb和gdbserver之间的连接,按c 让qemu上的Linux继续运行

　（gdb）b sys_time

   （gdb）c   //启动到MenuOs，在MenuOs中使用time，会停在time函数处

   （gdb）list  //对应代码

   （gdb）s    //单步执行

   （gdb）finish  //将这个函数执行完

以上两步重复使用，可以看到sys_time函数中的函数，直到看见return i

执行int 0x80之后执行system_call对应的代码

   （gdb）b system_call   //是可以设置断点的，但是这段是汇编代码，运行时不能在这个断点处停下逐句分析。

system_call不是一个正常意义上的函数，只是一段汇编代码。

三、系统调用在内核代码中的处理过程

1、系统调用在内核代码中的工作机制和初始化

(1)进系统调用机制的初始化：

 

(2) trap_init里面有一个set_system_trap_gate函数，函数定义中有系统调用的中断向量SYSCALL_VECTOR和汇编代码入口system_call。

(3)一旦执行int 0x80，CPU直接跳转到system_call来执行。

2、简化后便于理解的system_call伪代码

（1）伪代码：

 

分析：    

　  1）系统调用就是一个特殊一点的中断，所以也有保护现场与恢复现场。可以从上图中看到SAVE_ALL。

     2）sys_call_table是系统调用表

     3）syscall_after_all，需要先保存返回值

     4）没有sys_exit_work就restore_all，返回用户态。

     5）一旦进入sys_exit_work，里面会有一个进程调度时机。

（2）简化后的伪代码：

 

 

分析：

　　1）从ENTRY(system_call)开始，下面有SAVE_ALL，也有sys_call_table系统调用表，对应的处理函数是：sys_call_table(,%eax,4)。

　　2）判断当前任务是否需要处理sys_exit_work，如果不需要，就restore all，返回用户态。

　　3）系统调用返回之前，可能发生进程调度，进程间通信可能有信号需要处理。

3、简单浏览system_call到iret之间的主要代码

　　（1）SAVE_ALL：保存现场

　　（2）call *sys_call_table(,%eax,4)：调用了系统调用处理函数，eax系统调用号，这段是实际的系统调用的服务程序。

　　（3）restore_all

　　（4）INTERRUPT_RETURN：实际上就是iret，是个宏，中断系统调用的处理过程，结束。在这个过程中会发生sys_exit_work，sys_exit_work中会有work_pending，work_pending中会有work_notifysig，用来处理信号

　　（5）call schedule 决定进程调度代码。

　　（6）跳转到restore_all，恢复现场。

四、总结

系统调用的处理过程可分成以下3步：

　　(1)将处理机状态由用户态转为系统态。之后，由硬件和内核程序进行系统调用的一般性处理，即首先保护被中断进程的CPU环境，将处理机状态字PSW、程序计数器PC、系统调用号、用户找指针以及通用寄存器内容等压入堆栈，然后，将用户定义的参数传送到指定的地方保存起來。

　　(2)分析系统调用类型，转入相应的系统调用处理子程序。为使不同的系统调用能方便地转向相应的系统调用处理子程序，在系统中配置了一张系统调用入口表。表中的每个表目都对应一条系统调用，其中包含该系统调用自带参数的数目、系统调用处理子程序的入口地址等。内核可利用系统调用号去查找该表，即可找到相应处理子程序的入口地址而转去执行它。

　　(3)在系统调用处理子程序执行完后，恢复被中断的或设置新进程的CPU现场，然后返冋被中断进程或新进程，继续往下执行。