unix系统之系统调用的封装

系统调用

每个程序在运行时都可以调用一系列的特殊“函数”。这些特殊的“函数”能够完成各种不同的系统任务——获取当前时间，打开读写文件等。这些特殊的函数有一个特殊的名字——系统调用。

调用系统调用

系统调用不同于普通函数，调用过程十分特殊。（以下讨论基于linux系统）其调用过程是：一 设置系统调用号。每个系统调用都有一个独特的系统调用号。通过系统调用号可以在几百个系统调用中确定系统调用。设置系统调用号要用到EAX寄存器。当调用open系统调用时，便是置EAX寄存器为5。movl %eax,$5。二 设置参数。系统调用都有参数。参数从0个到6个不等。每个参数都对应一个寄存器。参数一对应EBX，参数二对应ECX，参数三对应EDX，参数四对应ESI，参数五对应EDI，参数六对应EBP。有几个参数便设置几个寄存器。三 执行int 0x80。执行int 0x80指令，程序将切入内核执行，执行完成后返回继续执行int 0x80后一条指令。四 取返回值。返回值放在EAX寄存器中。从EAX中取出返回值，判断系统调用执行情况。

系统调用的封装

明白系统调用的调用过程后，可以简单对系统调用的调用过程进行封装。
以下为一段系统调用的封装代码。

#ifndef _SYSCALL_SYSDEP_H
#define _SYSCALL_SYSDEP_H

//使用宏生成函数

#define __syscall_return(type, res) \
do { \
    if ((unsigned long)(res) >= (unsigned long)(-4095)) { \
        errno = -(res); \
        res = -1; \
    } \
    return (type) (res); \
} while (0)


#define _syscall0(syscall_name,type,name) \
type name(void) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
    : "=a" (__res) \
    : "0" (__NR_##syscall_name)); \
__syscall_return(type,__res); \
}

#define _syscall1(syscall_name,type,name,type1,arg1) \
type name(type1 arg1) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
    : "=a" (__res) \
    : "0" (__NR_##syscall_name),"b" ((long)(arg1))); \
__syscall_return(type,__res); \
}

#define _syscall2(syscall_name,type,name,type1,arg1,type2,arg2) \
type name(type1 arg1,type2 arg2) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
    : "=a" (__res) \
    : "0" (__NR_##syscall_name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2))); \
__syscall_return(type,__res); \
}

#define _syscall3(syscall_name,type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) \
type name(type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
    : "=a" (__res) \
    : "0" (__NR_##syscall_name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \
          "d" ((long)(arg3))); \
__syscall_return(type,__res); \
}

#define _syscall4(syscall_name,type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4) \
type name (type1 arg1, type2 arg2, type3 arg3, type4 arg4) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
    : "=a" (__res) \
    : "0" (__NR_##syscall_name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \
      "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4))); \
__syscall_return(type,__res); \
} 

#define _syscall5(syscall_name,type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4, \
      type5,arg5) \
type name (type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3,type4 arg4,type5 arg5) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
    : "=a" (__res) \
    : "0" (__NR_##syscall_name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \
      "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4)),"D" ((long)(arg5))); \
__syscall_return(type,__res); \
}

#define _syscall6(syscall_name,type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4, \
      type5,arg5,type6,arg6) \
type name (type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3,type4 arg4,type5 arg5,type6 arg6) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("push %%ebp ; movl %%eax,%%ebp ; movl %1,%%eax ; int $0x80 ; pop %%ebp" \
    : "=a" (__res) \
    : "i" (__NR_##syscall_name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \
      "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4)),"D" ((long)(arg5)), \
      "0" ((long)(arg6))); \
__syscall_return(type,__res); \
}

#endif

_syscall0用于封装参数为0的系统调用；_syscall1用于封装参数为1的系统调用，以此类推。
我们以_syscall6为例来说明代码是如何封装系统调用的。
_syscall6是一个宏定义，其功能用于构建一个函数，函数名字是name,返回值类型为type。函数有6个参数，分别为arg1,arg2,arg3,arg4,arg5,arg6。参数类型分别是type1,type2,type3,type4,type5,type6。构建的函数为：

type name(type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3,type4 arg4,type5 arg5,type6 arg6)
{
    ...
}

函数内是嵌入式汇编代码。

__asm__ volatile ("push %%ebp ; movl %%eax,%%ebp ; movl %1,%%eax ; int $0x80 ; pop %%ebp" \
    : "=a" (__res) \
    : "i" (__NR_##syscall_name),"b" ((long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \
      "d" ((long)(arg3)),"S" ((long)(arg4)),"D" ((long)(arg5)), \
      "0" ((long)(arg6))); \

3-5行是执行汇编语句前的操作，2行是执行汇编语句后的操作。1行是执行的汇编语句。

3-5行中”b” ((long)(arg1))指将arg1的值放入EBX寄存器中，b对应EBX寄存器。”c” ((long)(arg2))指将arg2的值放入ECX寄存器中，c对应ECX寄存器。”d” ((long)(arg3))指将arg3的值放入EDX寄存器中，d对应EDX寄存器。”S” ((long)(arg4))指将arg4的值放入ESI寄存器中，S对应ESI寄存器。”D” ((long)(arg5))指将arg5的值放入EDI寄存器中，D对应EDI寄存器。”0” ((long)(arg6))指将arg6的值放入EAX寄存器中，0对应EAX寄存器（”=a”是0个出现的寄存器，a指EAX寄存器）。

第1行中指令将EAX寄存器的值放入EBP寄存器中，并置EAX的值为系统调用号。其中movl %1,%%eax指将_NR##syscall_name的值放入EAX中。##把参数变成字符串，_NR和syscall_name为##的参数。若syscall_name为open，则其_NR##syscall_name为__NR_open。__NR_open是定义在内核头文件unistd.h文件中的宏，对应数字5。参数设置完毕，执行int 0x80正式切入内核执行系统调用。
第2行”=a” (__res)指将EAX寄存器的值赋值给__res。也就是将系统调用的返回值给__res。

__syscall_return(type,__res)也是宏定义，它主要用于判断系统调用执行是否出错。若出错则置errno为-res，并返回-1。判断出错的方式是判断res作为无符号长整型是否大于-4095。若大于则出错。这是linux内核做出的规定。