操作系统_再识(Linux内核分析)

相关内核源代码分析:  
1．系统的引导和初始化：Linux 系统的引导有好几种方式：常见的有 Lilo, Loadin引导和Linux的自举引导  
（bootsect-loader）,而后者所对应源程序为arch/i386/boot/bootsect.S，它为实模式的汇编程序，限于  
篇幅在此不做分析；无论是哪种引导方式，最后都要跳转到 arch/i386/Kernel/setup.S， setup.S主要是  
进行时模式下的初始化，为系统进入保护模式做准备；此后，系统执行 arch/i386/kernel/head.S (对经压缩  
后存放的内核要先执行 arch/i386/boot/compressed/head.S); head.S 中定义的一段汇编程序setup_idt ，  
它负责建立一张256项的 idt 表(Interrupt Descriptor Table),此表保存着所有自陷和中断的入口地址;其中  
包括系统调用总控程序 system_call 的入口地址;当然，除此之外，head.S还要做一些其他的初始化工作；  
2．系统初始化后运行的第一个内核程序asmlinkage void __init start_kernel(void) 定义在  
/usr/src/linux/init/main.c中,它通过调用usr/src/linux/arch/i386/kernel/traps.c 中的一个函数  
void __init trap_init(void) 把各自陷和中断服务程序的入口地址设置到 idt 表中,其中系统调用总控程序  
system_cal就是中断服务程序之一;void __init trap_init(void) 函数则通过调用一个宏  
set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call); 把系统调用总控程序的入口挂在中断0x80上;  
其中SYSCALL_VECTOR是定义在 /usr/src/linux/arch/i386/kernel/irq.h中的一个常量0x80; 而 system_call  
即为中断总控程序的入口地址;中断总控程序用汇编语言定义在/usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S中;  
3.中断总控程序主要负责保存处理机执行系统调用前的状态,检验当前调用是否合法, 并根据系统调用向量，使处理机  
跳转到保存在 sys_call_table 表中的相应系统服务例程的入口; 从系统服务例程返回后恢复处理机状态退回用户程序;  
而系统调用向量则定义在/usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 中;sys_call_table 表定义在  
/usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S 中; 同时在 /usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h  
中也定义了系统调用的用户编程接口;  
4.由此可见 , linux 的系统调用也象 dos 系统的 int 21h 中断服务, 它把0x80 中断作为总的入口, 然后  
转到保存在 sys_call_table 表中的各种中断服务例程的入口地址 , 形成各种不同的中断服务;  
由以上源代码分析可知, 要增加一个系统调用就必须在 sys_call_table 表中增加一项 , 并在其中保存好自己  
的系统服务例程的入口地址,然后重新编译内核，当然，系统服务例程是必不可少的。  
由此可知在此版linux内核源程序<2。2。5>中,与系统调用相关的源程序文件就包括以下这些:  
1．arch/i386/boot/bootsect.S  
2．arch/i386/Kernel/setup.S  
3．arch/i386/boot/compressed/head.S  
4．arch/i386/kernel/head.S  
5．init/main.c  
6．arch/i386/kernel/traps.c  
7．arch/i386/kernel/entry.S  
8．arch/i386/kernel/irq.h  
9．include/asm-386/unistd.h  

当然，这只是涉及到的几个主要文件。而事实上，增加系统调用真正要修改文件只有include/asm-386/unistd.h  
和arch/i386/kernel/entry.S两个;  

【三】 对内核源码的修改：  
1.在kernel/sys.c中增加系统服务例程如下：  
asmlinkage int sys_addtotal(int numdata)  
{  
int i=0,enddata=0;  
while(i<=numdata) 
enddata+=i++; 
return enddata; 
} 
该函数有一个 int 型入口参数 numdata , 并返回从 0 到 numdata 的累加值; 当然也可以把系统服务例程放 
在一个自己定义的文件或其他文件中，只是要在相应文件中作必要的说明； 
2.把 asmlinkage int sys_addtotal( int) 的入口地址加到sys_call_table表中: 
arch/i386/kernel/entry.S 中的最后几行源代码修改前为: 
... ... 
.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile) 
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams1 */ 
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams2 */ 
.long SYMBOL_NAME(sys_vfork) /* 190 */ 
.rept NR_syscalls-190 
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) 
.endr 
修改后为: ... ... 
.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile) 
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams1 */ 
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams2 */ 
.long SYMBOL_NAME(sys_vfork) /* 190 */ 
/* add by I */ 
.long SYMBOL_NAME(sys_addtotal) 
.rept NR_syscalls-191 
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) 
.endr 
3. 把增加的 sys_call_table 表项所对应的向量,在include/asm-386/unistd.h 中进行必要申明,以供 
用户进程和其他系统进程查询或调用: 
增加后的部分 /usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 文件如下: 
... ... 
#define __NR_sendfile 187 
#define __NR_getpmsg 188 
#define __NR_putpmsg 189 
#define __NR_vfork 190 
/* add by I */ 
#define __NR_addtotal 191 
4.测试程序(test.c)如下: 
#include 
#include 

_syscall1(int,addtotal,int, num) 

main() 
{ 
int i,j; 

do 
printf("Please input a number\n"); 
while(scanf("%d",&i)==EOF); 
if((j=addtotal(i))==-1) 
printf("Error occurred in syscall-addtotal();\n"); 
printf("Total from 0 to %d is %d \n",i,j); 
} 
对修改后的新的内核进行编译，并引导它作为新的操作系统，运行几个程序后可以发现一切正常；在新的系统下 
对测试程序进行编译(*注：由于原内核并未提供此系统调用，所以只有在编译后的新内核下，此测试程序才能 
可能被编译通过)，运行情况如下： 
$gcc -o test test.c 
$./test 
Please input a number 
36 
Total from 0 to 36 is 666 
可见，修改成功； 
而且，对相关源码的进一步分析可知，在此版本的内核中,从/usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S 
文件中对 sys_call_table 表的设置可以看出,有好几个系统调用的服务例程都是定义在 
/usr/src/linux/kernel/sys.c 中的同一个函数： 
asmlinkage int sys_ni_syscall(void) 
{ 
return -ENOSYS; 
} 
例如第188项和第189项就是如此: 
... ... 
.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile) 
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams1 */ 
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams2 */ 
.long SYMBOL_NAME(sys_vfork) /* 190 */ 
... ... 
而这两项在文件 /usr/src/linux/include/asm-386/unistd.h 中却申明如下: 
... ... 
#define __NR_sendfile 187 
#define __NR_getpmsg 188 /* some people actually want streams */ 
#define __NR_putpmsg 189 /* some people actually want streams */ 
#define __NR_vfork 190 
由此可见,在此版本的内核源代码中,由于asmlinkage int sys_ni_syscall(void) 函数并不进行任何操作, 
所以包括 getpmsg, putpmsg 在内的好几个系统调用都是不进行任何操作的，即有待扩充的空调用； 但它们 
却仍然占用着sys_call_table表项，估计这是设计者们为了方便扩充系统调用而安排的; 所以只需增加相应 
服务例程（如增加服务例程getmsg或putpmsg），就可以达到增加系统调用的作用。 
结语：当然对于庞大复杂的 linux 内核而言，一篇文章远远不够，而且与系统调用相关的代码也只是内核中极其 
微小的一部分；但重要的是方法、掌握好的分析方法；所以上的分析只是起个引导的作用，而正真的分析还有待于 
读者自己的努力。