Linux内核分析学习笔记：system_call中断处理过程

原创内容（陈晓爽 cxsmarkchan）
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《Linux内核分析》MOOC课程 学习笔记

前两篇博文从汇编的角度分析了linux系统的系统调用方法，本博客在实验楼平台下写了一个简单的系统调用程序，并分析系统调用的实际过程。

1 实验内容

本文实验平台为实验楼Linux内核分析的第5个实验：分析system_call中断处理过程。
在实验平台下，切换到~/LinuxKernel/menu文件夹下。该文件夹下的内容会被写入磁盘镜像rootfs.img中。Linux加载磁盘后，启动的第一个用户态进程（可参考linux内核分析学习笔记：用gdb跟踪linux内核启动过程）即在该文件夹的test.c中。
运行make rootfs，可以编译并启动系统，结果如下：

该系统中仅有3个命令，分别是help, version, quit。下面在该系统中添加两个命令：write和write-asm。顾名思义，这两个函数是系统调用sys_write的C语言版本和汇编版本。
打开test.c，可以看到main函数如下：

int main(){    PrintMenuOS();    SetPrompt("MenuOS>>");    MenuConfig("version","XXX V1.0(Menu program v1.0 inside)",NULL);    MenuConfig("quit","Quit from XXX",Quit);    ExecuteMenu();}

可见main函数中给出了命令和对应函数。此处不再关心SetPrompt和ExecuteMenu函数的细节（与Linux操作系统无关），只需了解MenuConfig函数的定义如下：

int MenuConfig(char *cmd, char *desc, int (*handler)());

其中，cmd为命令名称，desc为命令说明（在help中显示），handler是命令处理程序。
将main函数改写如下：

int main(){    PrintMenuOS();    SetPrompt("MenuOS>>");    MenuConfig("version","XXX V1.0(Menu program v1.0 inside)",NULL);    MenuConfig("quit","Quit from XXX",Quit);    MenuConfig("write", "Print to screen", Write);    MenuConfig("write-asm", "Print to screen(asm)", Write_asm);    ExecuteMenu();}

这样就添加了两条命令。接下来，给出Write和Write_asm函数：

int Write(int argc, char *argv[]){    int i;    for(i = 1; i < argc; i++){        write(0, argv[i], strlen(argv[i]));        write(0, "\n", 1);    }    return 0;}void Write_asm(int argc, char *argv[]){    int i;    int len;    char *str;    for(i = 1; i < argc; i++){        len = strlen(argv[i]);        str = argv[i];        asm volatile(                "int $0x80\n\t"                "mov $4, %%eax\n\t"                "mov $0, %%ebx\n\t"                "mov %4, %%ecx\n\t"                "mov $1, %%edx\n\t"                "int $0x80\n\t"                :                :"a"(4), "b"(0), "c"(str), "d"(len), "D"("\n")                );    }    return 0;}

这段代码也不再解释，可以参照前一篇博文用asm内联汇编实现系统调用。
添加了如下代码后，运行系统，点击help命令，就会出现更多的选择。同时，write命令和write-asm命令都可以执行，其功能是将参数表中的所有内容按顺序输出，并自动添加换行。
运行效果如下图：

2 系统调用的过程

下面分析系统调用的过程。在汇编代码中，我们通过int $0x80产生中断，系统会在中断向量表中查找相应的中断处理函数。0x80对应的函数即为系统调用函数system_call，位于arch/x86/kernel/entry_32.S。
遗憾的是，entry_32.S是一段汇编代码，system_call也不是一个函数，只是一个程序入口标志。因此，无法用gdb来对代码进行单步调试。因此，我们仅通过汇编代码的分析来了解系统调用的过程。
系统调用的汇编代码可以简化如下，其中省略了部分代码：

ENTRY(system_call)    #……    SAVE_ALL    #……syscall_call:    call *sys_call_table(,%eax,4)syscall_after_call:    movl %eax,PT_EAX(%esp)      # store the return valuesyscall_exit:    #……    movl TI_flags(%ebp), %ecx    testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx # current->work    jne syscall_exit_workrestore_all:    TRACE_IRQS_IRET    #……irq_return:    INTERRUPT_RETURNENDPROC(system_call)

在该段代码执行时，系统已经进入内核态。该段代码首先通过SAVE_ALL宏保存现场，接下来根据eax寄存器的内容，查找sys_call_table表，跳转到合适的系统调用，并把返回值存入eax寄存器中。完成这一步之后，系统调用就基本结束了，会执行restore_all部分的代码恢复现场，最后执行iret（此处即为INTERRUPT_RETURN）返回到中断调用的位置，继续执行。
值得注意的是，在返回之前，系统还会根据情况，决定是否要调用syscall_exit_work函数。该函数的意义在于退出系统调用前，执行一些清理工作。其中最重要的工作是进程调度，这是因为有些系统调用函数可能会改变进程执行情况，例如挂起当前进程。此时，在该函数中就会调用进程调度函数，实现进程切换。

3 小结

系统调用处理过程本质是一种中断过程，因此遵循中断处理的一些共性，包括：

• 根据中断号和中断向量表，跳转到相应的中断处理程序；
• 在中断开始的时候保存中断现场，在中断结束的时候恢复中断现场；
• 中断结束时通过iret返回到中断发生前的程序执行位置；

同时，在系统调用的过程中，还会根据eax寄存器中存储的系统调用号，进一步查找系统调用表，执行系统调用操作。系统调用结束后，程序会根据系统调用的结果，进行一些收尾工作，例如进程调度等，最后退出内核态，返回用户态。