20252803《Linux内核原理与分析》第六周作业-优快云博客

作业要求

阅读学习教材「庖丁解牛Linux 操作系统分析」第6章，有问题优先使用chatgpt等AI工具。或者到蓝墨云班课中提问，24小时内回复，鼓励解答别人问题，提问前请阅读「如何提问」。
教材深入学习关注豆列「Linux内核及安全」。
学习蓝墨云班课中第六周视频「扒开系统调用的三层皮？（下）」，并完成实验楼上配套实验五。，注意从下往上看。基于树莓派或其他平台完成ARM相关内容。
作业标题 “学号《Linux内核原理与分析》第X周作业”，重点是遇到的问题和解决方案内容涵盖教材学习和视频，提交格式用Markdown，同时提交转换的 PDF（VSCode 有相关插件）。

实验五：分析 system_call 中断处理过程

1、使用 gdb 跟踪分析一个系统调用内核函数（您上周选择的那一个系统调用），系统调用列表参见 torvalds/linux。推荐在实验楼 Linux 虚拟机环境下完成实验。
2、根据本周所学知识分析系统调用的过程，从 system_call 开始到 iret 结束之间的整个过程，并画出简要准确的流程图，撰写一篇署名博客

一、重新定义系统调用getpid和getppid

进入实验楼，与上周操作相同，重新编译内核后，进入menu界面下，编辑test.c。

cd ~/LinuxKernel
rm -rf menu
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
vim test.c

在这里插入图片描述

在test.c中加入上一实验的的getpid和getppid代码，并在test.c中的main函数中加入两个MenuConfig函数进行这两个系统调用函数的配置：

int _20252803_main1(){
        pid_t pid=getpid();
        pid_t ppid=getppid();
        printf("pid=%d  ppid=%d\n",pid,ppid);
}

int _20252803_main2() {
    pid_t pid, ppid;
    
    asm volatile("mov $0x14, %%eax\n\t"  // getpid 的ID为20
                 "int $0x80\n\t"
                 "mov %%eax, %0\n\t"
                 : "=r" (pid) :: "%eax");

    asm volatile("mov $0x40, %%eax\n\t"  // getppid 的ID为64
                 "int $0x80\n\t"
                 "mov %%eax, %0\n\t"
                 : "=r" (ppid) :: "%eax");

    printf("pid=%d  ppid=%d\n", pid, ppid);

    return 0;
}

在这里插入图片描述
两个配置系统调用函数的MenuConfig函数如下：

 MenuConfig("getpid1","system_call_1",_20252803_main1);
 MenuConfig("getpid_asm_2","system_call_asm_2",_20252803_main2);

在这里插入图片描述

二、make rootfs自动编译脚本：

在这里插入图片描述

三、使用 gdb 跟踪分析getpid和getppid系统调用内核函数

先启动冻结的内核，再另打开一个shell，进行GDB调试，建立GDB和gdbserver之间的连接。
冻结命令如下：

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

在这里插入图片描述

gdb调试命令如下：

gdb  file linux-3.18.6/vmlinux

gdb  target remote:1234

gdb b sys_getpid

在这里插入图片描述

四、分析整个过程，并画出简要准确的流程图

1、用户态触发系统调用（陷入前）

准备工作：用户程序通过寄存器传递参数，将系统调用号存入 eax 寄存器（x86 架构）。
触发中断：执行 int $0x80（x86 传统）或 syscall（x86_64 现代）指令，触发软件中断。
CPU 自动操作：切换特权级（用户态 CPL=3 → 内核态 CPL=0）。硬件自动保存用户态关键上下文（cs、eip、eflags 寄存器入栈）。

2、进入内核态：system_call 入口

跳转入口：CPU 自动跳转到内核预设的中断处理入口 system_call（位于 arch/x86/kernel/entry_32.S 或 entry_64.S）。
保存完整上下文：内核手动将用户态寄存器（ebx、ecx、edx 等）压入内核栈，防止被内核操作覆盖。
合法性检查：验证系统调用号（eax）是否在允许范围内（≤ NR_syscalls），若非法则跳转至错误处理（返回 -ENOSYS）。

3、执行系统调用处理函数

查表映射：通过系统调用号（eax）查询系统调用表（如 sys_call_table），找到对应的内核处理函数（如 sys_getpid）。
执行操作：调用该函数完成具体功能（如获取进程 ID），将返回值存入 eax 寄存器。

4、系统调用返回前处理

信号检查：执行 syscall_exit 逻辑，检查用户态程序是否有未处理的信号。
信号处理：若有信号，先跳转至用户态的信号处理函数，处理完成后回到系统调用流程。

5、内核态返回用户态

恢复上下文：从内核栈弹出之前保存的用户态寄存器（ebx、ecx 等）。
执行返回指令：通过 iret（x86）或 sysret（x86_64）指令，CPU 自动完成：从栈中恢复用户态 cs、eip、eflags 寄存器。切换特权级（内核态 CPL=0 → 用户态 CPL=3）。
用户态续行：用户程序从 int $0x80 或 syscall 的下一条指令继续执行，通过 eax 获取返回值。
在这里插入图片描述