20242828-《Linux内核原理分析》第五周作业-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/stdilib_h/article/details/143169800

使用库函数 API 和 C 代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用

1. 实验过程

选择64号系统调用，获取当前进程的父进程pid

（1）使用库函数getppid，获取父进程pid

使用gedit创建并编辑getppid.c

#include <stdio.h>                                                                                           
#include <unistd.h>
int main(){
     long ppid;
     ppid = getppid();
     printf("the parent pid is:%ld\n",ppid);
     return 0;
}

使用gcc编译getppid.c文件

（2）C代码中嵌入汇编代码使用getppid

使用gedit创建并编辑getppid_asm.c文件

#include <stdio.h>  
int main()
{
     long ppid; 

     // 使用内联汇编获取父进程ID
     asm volatile(
         "mov $64,%%eax\n\t"  // 将系统调用号64（getppid）放入eax寄存器
         "int $0x80\n\t"       // 执行中断0x80，触发系统调用
         "mov %%eax,%0\n\t"    // 将eax寄存器的值（系统调用的结果）移动到变量ppid
         :"=m"(ppid)           // 输出操作，将eax的值赋给ppid
     );

     printf("the parent pid is:%ld\n",ppid);

     return 0;  
}

使用gcc编译getppid_asm.c文件

（3）运行两个文件

2. 系统调用工作过程

（1）系统调用基本原理

在 Linux 系统中，系统调用是操作系统内核提供的接口，用于用户态程序与内核进行交互。为了执行系统调用，程序需要：

将系统调用号传递给内核，以标识具体要执行的系统调用。
传递所需的参数。
使用特定的机制，如中断（在 x86 架构中通常是 int 0x80 或 syscall 指令）进入内核态。

系统调用通过 int 0x80 中断触发。

（2）代码详细解析

asm volatile(
    "mov $64,%%eax\n\t"  // 1. 将系统调用号 64（getppid）放入 eax 寄存器
    "int $0x80\n\t"      // 2. 触发中断 0x80，进入内核
    "mov %%eax,%0\n\t"   // 3. 将 eax 寄存器中的返回值（父进程 PID）存入变量 ppid
    :"=m"(ppid)          // 4. 指定输出操作，将 eax 的值存入 ppid
);

详细步骤：

设置系统调用号：
- mov $64,%%eax：通过 mov 指令将值 64 赋值给寄存器 eax。在 Linux 的 x86 系统中，系统调用号通过 eax 寄存器传递。
- 这里 64 代表 getppid() 系统调用的编号。不同的系统调用有不同的编号，如 exit 是 1，fork 是 2。
触发中断：
- int $0x80：通过执行 int 0x80 中断，进入内核态，内核根据 eax 中的系统调用号（这里是 64）确定执行的系统调用。这个指令将会切换到内核态，执行 getppid() 系统调用。
返回值处理：
- mov %%eax,%0：系统调用完成后，内核会将返回结果存储在 eax 寄存器中。在 getppid() 的情况下，eax 中会存储父进程的 PID。
- 这条指令将 eax 寄存器中的值（即父进程的 PID）移动到 C 变量 ppid 中，%0 对应的是输出约束 "=m"(ppid)，表示将 eax 的值存储到内存位置 ppid。

汇编代码中的参数传递方式：

输入/输出约束：
在内联汇编中，"=m"(ppid) 表示一个输出操作，=m 是 GCC 的汇编约束，表示将汇编代码中的值写入一个内存位置，而这个内存位置对应的 C 变量是 ppid。

这里的 volatile 关键字告诉编译器不要优化这个汇编代码块，以确保它不会被删除或重排序。

系统调用参数传递方式

在 x86 架构中，传统上 Linux 系统调用的参数通过以下方式传递：

系统调用号通过 eax 寄存器传递。
第 1 个参数通过 ebx 传递。
第 2 个参数通过 ecx 传递。
第 3 个参数通过 edx 传递。
第 4 个参数通过 esi 传递。
第 5 个参数通过 edi 传递。
第 6 个参数通过 ebp 传递。

不过，getppid() 不需要传递参数，它只是返回当前进程的父进程 ID。

3. 总结

系统调用是操作系统为用户态程序提供的接口，用于与内核进行交互。其工作机制包括以下关键步骤：

系统调用号的传递：
每个系统调用都有唯一的编号，用户态程序通过将该编号存入特定寄存器（如 eax）来告诉内核它希望执行的操作。例如，在本文的汇编代码中，64 对应的是 getppid() 系统调用。
切换到内核态：
用户态程序无法直接访问内核功能，需要通过特定的机制切换到内核态。在 x86 架构中，int 0x80 指令就是触发从用户态到内核态切换的方式。这个中断会导致 CPU 执行特定的中断服务例程，进入内核态执行相应的系统调用。
参数和返回值的传递：
系统调用的参数通过特定的寄存器传递（如 ebx, ecx 等），返回值通常存储在 eax 寄存器中。在执行完系统调用后，返回结果会通过指定的寄存器传回用户态，用户态程序可以通过汇编或 C 代码读取这些寄存器中的返回值。
系统调用完成后返回用户态：
系统调用完成后，内核会切换回用户态，用户程序继续执行。这一过程是通过内核态返回用户态的机制来完成的。

通过这种方式，用户程序能够安全地与操作系统进行通信，而无需直接操作硬件资源或内核数据。