原創 2017年03月17日 21:31:20

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楊金龍 + 原創作品轉載請注明出處 + 《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

??本周是Linux系統分析課程的第四周課程，本周主要講Linux系統調用的過程，具體知識點和實驗結果總結如下。

系統調用的相關知識

　　系統調用：系統調用只是一個特殊的中斷。我們通過庫函數和系統調用打交道，庫函數把系統調用封裝起來。
1、儲備知識——內核態和用戶態
　　內核態：在高執行級別下，代碼可以執行特權指令，訪問任意的物理內存，這種CPU執行級別就對應著內核態。
　　用戶態：在用戶態級別下，代碼的掌控范圍會受到限制，只能在對應級別允許的范圍內活動。
注：Intel x86CPU有四種不同的執行級別0-3，Linux只使用了其中的0級和3級分別來表示內核態和用戶態。
2、為什么有權限級別的劃分？
　　若沒有用戶態和內核態的劃分，用戶寫的不健壯的程序就可以執行特權指令時，就很容易是系統崩潰。操作系統發展過程中劃分了用戶態和內核態，是系統更穩定的機制。
3、寄存器在系統調用中的作用
　　Cs寄存器的最低兩位表明了當前代碼的特權級。CPU每條指令的讀取都是通過CS：EIP這兩個寄存器：其中CS是代碼段選擇寄存器，EIP是偏移量寄存器。
4、內存地址空間
　　一般在Linux中，地址空間是一個顯著的標志：0xc0000000以上的地址空間只能在內核態下訪問，0x0000000–0xbfffffff的地址空間在兩種狀態下都可以訪問。
注：產生中斷是從用戶態進入內核態的主要方式。
5、寄存器上下文：
　5.1從用戶態切換到內核態時：
　　必須保存用戶態的寄存器上下文；
　　同時把內核態的寄存器的值放到寄存器中。
　5.2中斷/int指令會在堆棧上保存一些寄存器的值：
　　如用戶態棧頂地址；
　　當前的狀態字；
　　當時的CS：EIP的值。
　5.3中斷發生后的第一件事就是保存現場：
　　保存現場：就是進入中斷程序，保存需要用到的寄存器的數據。
　5.4中斷處理結束前最后一件事就是恢復現場：
　　恢復現場：就是退出中斷程序恢復保存寄存器的數據。
　　注：Iret指令和中斷信號（包括int指令）發生時的CPU做的動作整好相反。

中斷處理的完整過程

如下圖所示

　　中斷指令interrupt（ex:int 0x80）開始進行系統調用；
　　保存當前CS：EIP，SS：ESP，eflags的值到內核堆棧，同時加載了中斷服務程序的地址到CS：EIP以及內核堆棧棧頂指針到SS：ESP中。Int指令完成上述操作過程。
　　內核代碼，完成中斷服務：
　　發生進程調度，則保存調度時的現場，進行調度，完成調度后再恢復現場；
　　不發生進程調度，則恢復之前的保存現場：iret - pop cs:EIP/SS:ESP/eflags from kernel stack.

系統調用的意義

1、操作系統為用戶態進程與硬件設備進行交互提供了一組接口——系統調用。
　　把用戶從底層的硬件編程中解放出來；
　　極大的提高了系統的安全性；
　　使用戶程序具有可移植性。
2、操作系統提供的API和系統調用的關系。
　　應用編程接口（Application program interface，API）和系統調用時不同的；
　　API只是一個函數定義；
　　系統調用通過軟中斷向內核發出一個明確的請求。
　　Libc庫定義的一些API引用了封裝例程（wrapper routine，唯一的目的就是發布系統調用）：一般每個系統調用對應一個封裝例程。庫再用這些封裝例程定義給出用戶的API。
3、不是每個API都對應一個特定的系統調用：
　　API可能直接提供用戶態的服務；
　　一個單獨的API可能調用幾個系統調用；
　　不同的API可能調用了同一個系統調用。
4、返回值
　　大部分封裝例程返回一個整數，其值的含義依賴于相應的系統調用；
　　-1在多數情況下表示內核不能滿足進程的請求；
　　Libc中定義的errno變量包含特定的出錯碼。
　　

注：系統調用的三層皮：API，中斷向量，中斷服務程序

5、系統調用的服務例程：
　　5.1 當用戶態進程調用一個系統調用時，CPU切換內核態并開始執行一個內核函數。
　　在Linux中是通過執行int $0x80來執行系統調用的，這條匯編指令產生向量為128的編程異常；
　　Inter Pentium II中引入了sysenter指令（快速系統調用），2,6已經支持。
5.2 傳參：
　　內核實現了很多不同的系統調用；
　　進程必須指明需要哪個系統調用，這需要使用EAX寄存器傳遞一個名為系統調用號的參數
5.3 系統調用也需要輸入輸出參數，例如：
　　實際的值；
　　用戶態進程地址空間的變量的地址；
　　甚至包含指向用戶態函數的指針的數據結構的地址。
　　System call是Linux中所有系統調用的入口點，每個系統調用至少有一個參數，即由eax
5.3 傳遞的系統調用號；
　　系統調用號將xyz和sys_xyz關聯起來；用eax寄存器來傳遞參數；
　　一個應用程序調用fork()封裝例程，那么在執行int $0x80之前就把EAX寄存器的值置為2（即 NR fork）；
　　這個寄存器的設置是libc庫中的封裝例程進行的，因此用戶一般不關心系統調用號；
　　進入sys，call之后，立即將EAX的值壓入內核堆棧；
5.4 寄存器參數具有如下限制：
　　每個參數的長度不能超過寄存器的長度，即32位；
　　在系統調用號（EAX）之外，參數的個數不能超過6個（ebx，ecx，edx，esi，edi，ebp）。

實驗代碼

　　實驗過程中調用mkdir系統函數，mkdir調用號為39，函數原型如下：
　　

int mkdir(const char *path, mode_t mode);
參數：
　path是目錄名
　mode是目錄權限
返回值：
　返回0 表示成功， 返回 -1表示錯誤，并且會設置errno值。

通過C代碼調用

mkdir.c

#include <stdio.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/types.h>int main() {int ret = 0;ret = mkdir("./test", 0777);if(ret == 0){printf("Mkdir success!\n") ; }else printf("Mkdir failed!\n");return 0; }

通過嵌入式匯編調用

mkdir_asm.c

#include <stdio.h>int main() {int ret = 0;char *dir = "./test_asm";int mode = 0777;asm volatile("movl $39, %%eax\n\t""int $0x80\n\t""movl %%eax, %0\n\t": "=m"(ret): "b"(dir), "c"(mode) );if(ret == 0)printf("Mkdir through asm success!\n");else printf("Mkdir through asm failed!\n");return 0; }

實驗總結

　　通過對系統調用的兩種代碼實現方法的分析，我們可以知道C語言的API只不過是對Linux底層系統調用的一次封裝而已，本質上是通過系統中斷實現的。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux下简单的系统调用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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