【源码剖析】LINUX下的系统调用

                                                                    LINUX下的系统调用

注： 我这里看到源码是linux 2.6.11版本的源码；

系统调用是什么东西，这个才能开始后续工作。

系统调用举个例子更容易理解，假如你想找个“铁饭碗”，你是不是得托人给领导送礼呀。你个平头百姓怎么会平时接触到那些大领导呢，你肯定是费尽心机地找到了一个“铁关系”，这个“铁关系”作为中间人，将你的意思传达给大领导，大领导帮你开个后门，你是不是就有了一个”铁饭碗“。

这个”铁关系“就是这里的系统调用，然后这里的你就是用户模式，而这里的大领导肯定就是内核模式。

系统调用的定义就很简单了，系统调用时发生在用户进程通过调用特殊函数，以请求内核提供服务的时候。此时用户态被暂时挂起（我替你办事 ，你肯定得等呀），内核检验用户请求（看你的要求过不过分），尝试执行。并把结果返回给用户（将好消息带回去），接着你就可以带着你的好消息启动了。

解决完概念问题，那么来研究一下，这个内核是怎么给你帮忙的；

系统调用的分类：

1.处理I/O请求：open、close、read、write、poll

2.进程fork、execve、kill

3.时间time、settimeofday

4.内存mmap、brk

开始之前先说点简单的，带回来的消息；

带回来的消息就一定是好消息吗？系统调用必须返回类型是int，你想一下你平时使用的系统函数，不是int就是int封装的类型。那么返回值0或者正数就是好消息，如果返回来的是负数就是坏消息。其实在最新的内核版本里面返回负数不一定代表错误，lseek函数即使结果正确也会返回一个很大的负数，而错误的返回码一般在-1到-4095之间。

再来点专业的术语，不然一会用到的时候不理解；

1.中断有两种类型：软中断，硬中断

硬件中断：来自硬盘的异常和其他事件的发生，如电源断电、键盘按下。

软件中断：一个带有中断号的指令，可以手动的触发中断处理程序（LInux下，使用int  Ox80来触发所有的系统调用）。

2.LINUX下是通过int 0x80来触发所有的系统调用

3.系统调用号，是通过寄存器eax传入内核的。

万事俱备只欠东风；

先来个系统调用的大致图解吧（看图简单）fork为例：

根据内核代码分析：

中断向量表------->sys_call函数

内核代码：Linux/arch/i386/kernel/traps.c

初始化中断向量表
void __init trap_init(void)
{
#ifdef CONFIG_EISA
	void __iomem *p = ioremap(0x0FFFD9, 4);
	if (readl(p) == 'E'+('I'<<8)+('S'<<16)+('A'<<24)) {
		EISA_bus = 1;
	}
	iounmap(p);
#endif

#ifdef CONFIG_X86_LOCAL_APIC
	init_apic_mappings();
#endif

	set_trap_gate(0,÷_error);
	set_intr_gate(1,&debug);
	set_intr_gate(2,&nmi);
	set_system_intr_gate(3, &int3); /* int3-5 can be called from all */
	set_system_gate(4,&overflow);
	set_system_gate(5,&bounds);
	set_trap_gate(6,&invalid_op);
	set_trap_gate(7,&device_not_available);
	set_task_gate(8,GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);
	set_trap_gate(9,&coprocessor_segment_overrun);
	set_trap_gate(10,&invalid_TSS);
	set_trap_gate(11,&segment_not_present);
	set_trap_gate(12,&stack_segment);
	set_trap_gate(13,&general_protection);
	set_intr_gate(14,&page_fault);
	set_trap_gate(15,&spurious_interrupt_bug);
	set_trap_gate(16,&coprocessor_error);
	set_trap_gate(17,&alignment_check);
#ifdef CONFIG_X86_MCE
	set_trap_gate(18,&machine_check);
#endif
	set_trap_gate(19,&simd_coprocessor_error);

	set_system_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call); //SYSCALL_VECTOR是一个宏定义，
	//#define SYSCALL_VECTOR 0x80 ,对应的是系统调用中断号是0x80，最终执行的sys_call函数。

	/*
	 * Should be a barrier for any external CPU state.
	 */
	cpu_init();

	trap_init_hook();

sys_call函数的实现：

sys_call---->sys_call_table

内核代码：Linux/arch/i386/kernel/unistd.h

#define _syscall1(type,name) \
type name(type1 arg1) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \  //__asm__ 是一个GCC的额关键字，表示接下来要嵌入汇编代码
//_asm_ 函数的第一个参数是一个字符串，表示汇编代码
                                   //volatile 告诉编译器不要对代码进行优化。
	: "=a" (__res) \      //将eax寄存器的数据，存在_res上。“a”表示用eax寄存器
	: "0" (__NR_##name)); \  //_NR_##name 拼接字符串，“0”表示编译器选择输入、输出用相同的寄存器来传递参数。
__syscall_return(type,__res); \
}


检查系统调用的返回值，并把它转化成相应的errno错误码。
#define __syscall_return(type, res) \
do { \
	if ((unsigned long)(res) >= (unsigned long)(-(128 + 1))) { \
		errno = -(res); \
		res = -1; \
	} \
	return (type) (res); \
} while (0)


有一个参数时，参数存在ebx中。
linux下支持6个参数的传递，分别用寄存器ebx、ecx、edx、esi、edi、ebp
#define _syscall1(type,name,type1,arg1) \
type name(type1 arg1) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
	: "=a" (__res) \
	: "0" (__NR_##name),"b" ((long)(arg1))); \   //"b"表示EBX寄存器，
__syscall_return(type,__res); \
}

sys_call内部调用sys_call_table的实现：

内核代码：Linux/arch/i386/kernel/entry.s

sys_call函数的实现：
# system call handler stub
ENTRY(system_call)
	pushl %eax			# save orig_eax
	SAVE_ALL            //将各种寄存器的值压入栈，以避免后续执行的代码的覆盖。
	GET_THREAD_INFO(%ebp)
					# system call tracing in operation
	testb $(_TIF_SYSCALL_TRACE|_TIF_SYSCALL_AUDIT),TI_flags(%ebp)
	jnz syscall_trace_entry
	cmpl $(nr_syscalls), %eax  //nr_syscalls表示最大的系统调用号加1.。eax存放的是用户传进来的系统调用号。
	jae syscall_badsys
	//系统调用号确定有效后
syscall_call:
	call *sys_call_table(,%eax,4)  //sys_call_table是查找中断服务程序并执行。
	movl %eax,EAX(%esp)		# store the return value
syscall_exit:
	cli				# make sure we don't miss an interrupt
					# setting need_resched or sigpending
					# between sampling and the iret
	movl TI_flags(%ebp), %ecx
	testw $_TIF_ALLWORK_MASK, %cx	# current->work
	jne syscall_exit_work
restore_all:
	RESTORE_ALL     //RESTORE_ALL系统恢复

	# perform work that needs to be done immediately before resumption
	ALIGN

sys_call_table调用sys_fork实现fork函数

内核代码：Linux/arch/i386/kernel/traps.c

中断服务程序
sys_call_table(0,%eax,4) ；

/*
1.函数的第一个参数：系统调用函数的地址；

给出的例子：指的是syscall_table上偏移量为0+eax * 4 的值指向的函数  ；也是eax寄存器里面存的系统调用号所对应的系统函数；
*/
.data
ENTRY(sys_call_table)
	.long sys_restart_syscall	/* 0 - old "setup()" system call, used for restarting */
	.long sys_exit
	.long sys_fork
	.long sys_read
	.long sys_write
	.long sys_open		/* 5 */
	.long sys_close
	.long sys_waitpid
	.long sys_creat
	.long sys_link
	.long sys_unlink	/* 10 */
	.long sys_execve
	.long sys_chdir
	.long sys_time
     ........

	.long sys_request_key
	.long sys_keyctl

syscall_table_size=(.-sys_call_table)

在进入sys_call函数时，有一个宏SAVE_ALL

SAVE_ALL保存寄存器
#define SAVE_ALL \
	cld; \
	pushl %es; \
	pushl %ds; \
	pushl %eax; \
	pushl %ebp; \
	pushl %edi; \
	pushl %esi; \
	pushl %edx; \
	pushl %ecx; \
	pushl %ebx; \
	movl $(__USER_DS), %edx; \    //后面这三条mov指令，都是设置内核的数据段
	movl %edx, %ds; \
	movl %edx, %es;
//函数倒数6个 寄存器，刚好是系统调用传递参数的6个寄存器。

//所以系统调用的参数是通过SAVE_ALL保存在栈上的。并且在调用sys_call_table时，没有任何代码影响到栈

sys_call函数的实现时，最前面的关键字asmlinkage；

asmlinkage这个宏
asmlinkage int sys_fork(struct pt_regs regs);

宏定义
#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__((regparm(0)))
asmlinkage意思：只让函数从栈上获取参数。

部分细节代码分析结束，感觉好混乱呀，一大堆代码来一张思路图，让代码走势有线路；

简单根据代码画出总思路图（代码走向图）；

 补充一张堆栈切换图；

系统调用大致就是这样子，有些地方还没有解析很仔细，会继续改进的。