linux内核--系统调用（四）

一. 概述

         系统调用是应用程序与内核交互的一种方式。系统调用作为一种接口，通过系统调用，应用程序能够进入操作系统内核，从而使用内核提供的各种资源，比如操作硬件，开关中断，改变特权模式等等。首先，系统调用是一个软中断，既然是中断那么一般就具有中断号和中断处理程序两个属性，Linux使用0x80号中断作为系统调用的入口，而中断处理程序的地址放在中断向量表里。

 

二. 过程

         基于linux-2.6.38，以read()系统调用函数为例进行说明。    

       在用户空间，read()函数的声明位于#include<unistd.h>，原型为：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)。下面是read()函数在用户空间的定义的伪代码：

 1 ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count) 2 { 3        long res; 4        %eax = __NR_read 5        %ebx = fd  6        %ecx = (long)buf 7        %edx= count 8        int $0x80 9        res = %eax10        return res;11 }

         第4行，用eax寄存器保存read()的系统调用号，在/arch/x86/include/asm/unistd_32.h里定义（#define __NR_read  3）；第5～7行，分别将三个参数放入三个寄存器（通过寄存器来传递参数）；第8行，执行系统调用，进入内核；第9行，获取eax寄存器所保存的函数返回值。

       执行第8行后已经进入了系统内核，由于这是一个中断，因此程序进入到中断向量表中记录0x80号的中断处理程序，中断向量表的初始化在/arch/x86/kernel/traps.c中定义：

 1 void __init trap_init(void) 2 { 3 ................... 4  5    #ifdef CONFIG_X86_32 6        set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call); 7        set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors); 8    #endif 9 ...................10 }

如第6行所示。SYSCALL_VECTOR是系统调用的中断号，在/arch/x86/include/asm/irq_vectors.h中定义：

1 #ifdef CONFIG_X86_322 # define SYSCALL_VECTOR            0x803 #endif

正好是0x80。而system_call是系统调用的中断处理函数指针，用户执行int $0x80后会执行到这个函数，它在/arch/x86/kernel/entry_32.S中定义：

 1 ENTRY(system_call) 2     RING0_INT_FRAME            # can't unwind into user space anyway 3     pushl_cfi %eax            # save orig_eax 4     SAVE_ALL 5     GET_THREAD_INFO(%ebp) 6                     # system call tracing in operation / emulation 7     testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp) 8     jnz syscall_trace_entry 9     cmpl $(nr_syscalls), %eax10     jae syscall_badsys11 syscall_call:12     call *sys_call_table(,%eax,4)13     movl %eax,PT_EAX(%esp)        # store the return value...........

第4行，SAVE_ALL是一个宏，也在这个文件里定义：

 1 .macro SAVE_ALL 2     cld 3     PUSH_GS 4     pushl_cfi %fs 5     /*CFI_REL_OFFSET fs, 0;*/ 6     pushl_cfi %es 7     /*CFI_REL_OFFSET es, 0;*/ 8     pushl_cfi %ds 9     /*CFI_REL_OFFSET ds, 0;*/10     pushl_cfi %eax11     CFI_REL_OFFSET eax, 012     pushl_cfi %ebp13     CFI_REL_OFFSET ebp, 014     pushl_cfi %edi15     CFI_REL_OFFSET edi, 016     pushl_cfi %esi17     CFI_REL_OFFSET esi, 018     pushl_cfi %edx19     CFI_REL_OFFSET edx, 020     pushl_cfi %ecx21     CFI_REL_OFFSET ecx, 022     pushl_cfi %ebx23     CFI_REL_OFFSET ebx, 024     movl $(__USER_DS), %edx25     movl %edx, %ds26     movl %edx, %es27     movl $(__KERNEL_PERCPU), %edx28     movl %edx, %fs29     SET_KERNEL_GS %edx30 .endm

主要作用就是将各个寄存器压入栈中。

第9行，比较eax的值是否大于等于nr_syscalls，nr_syscalls是比最大有效系统调用号大1的值，在/arch/x86/kernel/entry_32.S中定义：

1 #define nr_syscalls ((syscall_table_size)/4)

其中syscall_table_size就是系统调用表的大小（单位：字节），syscall_table_size其实是一个数组，数组里存放的是各个系统调用函数的地址，元素类型是long型，除以4刚好是系统调用函数的个数。

如果从eax寄存器传进来的系统调用号有效，那么就执行第12行，在系统调用表里找到相应的系统调用服务程序，sys_call_table在/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S中定义：

1 ENTRY(sys_call_table)2     .long sys_restart_syscall    /* 0 - old "setup()" system call, used for restarting */3     .long sys_exit4     .long ptregs_fork5     .long sys_read6     .long sys_write7     .long sys_open        /* 5 */8     .long sys_close9 .................

*sys_call_table(,%eax,4)指的是sys_call_table里偏移量为%eax*4上的那个值指向的函数，这里%eax=3，那么第5行的sys_read()函数就会被调用。sys_read()在/fs/read_write.c中定义：

 1 SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count) 2 {        3         struct file *file;       4         ssize_t ret = -EBADF; 5         int fput_needed; 6          7         file = fget_light(fd, &fput_needed); 8         if (file) { 9                 loff_t pos = file_pos_read(file);10                 ret = vfs_read(file, buf, count, &pos);11                 file_pos_write(file, pos);12                 fput_light(file, fput_needed);13         }14         15         return ret;16 } 

可见，参数的形式和用户空间的一样。SYSCALL_DEFINE3是一个宏，在/include/linux/syscalls.h中定义：

1 #define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)

SYSCALL_DEFINEx也是一个宏，也在此文件中定义：

1 #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)                \2     __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)3 .....4 #define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...)                    \5     asmlinkage long sys##name(__SC_DECL##x(__VA_ARGS__))6 ......

宏展开后，就是声明了这么一个函数：

asmlinkage long sys_read(unsigned int fd, char __user *buf, size_t count);

asmlingage是一个宏，定义为：__attribute__((regparm(0)))，作用是让这个函数只从栈上获取参数（因为之前的SAVE_ALL将参数压到了栈里面）。

      当执行完中断处理程序后，后面会调用RESTORE_REGS来恢复各个寄存器：

1 ..............2     CFI_REMEMBER_STATE3     je ldt_ss            # returning to user-space with LDT SS4 restore_nocheck:5     RESTORE_REGS 4            # skip orig_eax/error_code6 ...............

第5行，RESTORE_REGS的定义：

 1 .macro RESTORE_REGS pop=0 2     RESTORE_INT_REGS 3 1:    popl_cfi %ds 4     /*CFI_RESTORE ds;*/ 5 2:    popl_cfi %es 6     /*CFI_RESTORE es;*/ 7 3:    popl_cfi %fs 8     /*CFI_RESTORE fs;*/ 9     POP_GS \pop10 .................

第2行，RESTORE_INT_REGS的定义：

 1 .macro RESTORE_INT_REGS 2     popl_cfi %ebx 3     CFI_RESTORE ebx 4     popl_cfi %ecx 5     CFI_RESTORE ecx 6     popl_cfi %edx 7     CFI_RESTORE edx 8     popl_cfi %esi 9     CFI_RESTORE esi10     popl_cfi %edi11     CFI_RESTORE edi12     popl_cfi %ebp13     CFI_RESTORE ebp14     popl_cfi %eax15     CFI_RESTORE eax16 .endm

       到这里差不多了，再对read()跟踪的话就会涉及文件系统方面的内容，以后会说的