《Linux內核設計與實現(xiàn)》讀書筆記（五）- 系統(tǒng)調用
主要內容：
- 什么是系統(tǒng)調用
- Linux上的系統(tǒng)調用實現(xiàn)原理
- 一個簡單的系統(tǒng)調用的實現(xiàn)
1. 什么是系統(tǒng)調用
簡單來說，系統(tǒng)調用就是用戶程序和硬件設備之間的橋梁。
用戶程序在需要的時候，通過系統(tǒng)調用來使用硬件設備。
系統(tǒng)調用的存在，有以下重要的意義:
1）用戶程序通過系統(tǒng)調用來使用硬件，而不用關心具體的硬件設備，這樣大大簡化了用戶程序的開發(fā)。
比如：用戶程序通過write()系統(tǒng)調用就可以將數(shù)據(jù)寫入文件，而不必關心文件是在磁盤上還是軟盤上，或者其他存儲上。
2）系統(tǒng)調用使得用戶程序有更好的可移植性。
只要操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調用接口相同，用戶程序就可在不用修改的情況下，從一個系統(tǒng)遷移到另一個操作系統(tǒng)。
3）系統(tǒng)調用使得內核能更好的管理用戶程序，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
因為系統(tǒng)調用是內核實現(xiàn)的，內核通過系統(tǒng)調用來控制開放什么功能及什么權限給用戶程序。
這樣可以避免用戶程序不正確的使用硬件設備，從而破壞了其他程序。
4）系統(tǒng)調用有效的分離了用戶程序和內核的開發(fā)。
用戶程序只需關心系統(tǒng)調用API，通過這些API來開發(fā)自己的應用，不用關心API的具體實現(xiàn)。
內核則只要關心系統(tǒng)調用API的實現(xiàn)，而不必管它們是被如何調用的。
用戶程序，系統(tǒng)調用，內核，硬件設備的調用關系如下圖：
2. Linux上的系統(tǒng)調用實現(xiàn)原理
要想實現(xiàn)系統(tǒng)調用，主要實現(xiàn)以下幾個方面：
- 通知內核調用一個哪個系統(tǒng)調用
- 用戶程序把系統(tǒng)調用的參數(shù)傳遞給內核
- 用戶程序獲取內核返回的系統(tǒng)調用返回值
下面看看Linux是如何實現(xiàn)上面3個功能的。
2.1 通知內核調用一個哪個系統(tǒng)調用
每個系統(tǒng)調用都有一個系統(tǒng)調用號，系統(tǒng)調用發(fā)生時，內核就是根據(jù)傳入的系統(tǒng)調用號來知道是哪個系統(tǒng)調用的。
在x86架構中，用戶空間將系統(tǒng)調用號是放在eax中的，系統(tǒng)調用處理程序通過eax取得系統(tǒng)調用號。
系統(tǒng)調用號定義在內核代碼：arch/alpha/include/asm/unistd.h 中，可以看出linux的系統(tǒng)調用不是很多。
2.2 用戶程序把系統(tǒng)調用的參數(shù)傳遞給內核
系統(tǒng)調用的參數(shù)也是通過寄存器傳給內核的，在x86系統(tǒng)上，系統(tǒng)調用的前5個參數(shù)放在ebx,ecx,edx,esi和edi中，如果參數(shù)多的話，還需要用個單獨的寄存器存放指向所有參數(shù)在用戶空間地址的指針。
一般的系統(tǒng)調用都是通過C庫(最常用的是glibc庫)來訪問的，Linux內核提供一個從用戶程序直接訪問系統(tǒng)調用的方法。
參見內核代碼：arch/cris/include/arch-v10/arch/unistd.h
里面定義了6個宏，分別可以調用參數(shù)個數(shù)為0～6的系統(tǒng)調用
_syscall0(type,name) _syscall1(type,name,type1,arg1) _syscall2(type,name,type1,arg1,type2,arg2) _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) _syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4) _syscall5(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5) _syscall6(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5,type6,arg6)
超過6個參數(shù)的系統(tǒng)調用很罕見，所以這里只定義了6個。
2.3 用戶程序獲取內核返回的系統(tǒng)調用返回值
獲取系統(tǒng)調用的返回值也是通過寄存器，在x86系統(tǒng)上，返回值放在eax中。
3. 一個簡單的系統(tǒng)調用的實現(xiàn)
了解了Linux上系統(tǒng)調用的原理，下面就可以自己來實現(xiàn)一個簡單的系統(tǒng)調用。
3.1 環(huán)境準備
為了不破壞現(xiàn)有系統(tǒng)，我是用虛擬機來實驗的。
主機：fedora16 x86_64系統(tǒng) + kvm(一種虛擬技術，就像virtualbox，vmware等)
虛擬機: 也是安裝fedora16 x86_64系統(tǒng)(通過virt-manager很容易安裝一個系統(tǒng))
下載內核源碼：www.kernel.org 下載最新的就行
3.2 修改內核源碼中的相應文件
主要修改以下文件：
arch/x86/ia32/ia32entry.S arch/x86/include/asm/unistd_32.h arch/x86/include/asm/unistd_64.h arch/x86/kernel/syscall_table_32.S include/asm-generic/unistd.h include/linux/syscalls.h kernel/sys.c
我在sys.c中追加了2個函數(shù):sys_foo和sys_bar
如果是在x86_64的內核中增加一個系統(tǒng)調用，只需修改 arch/x86/include/asm/unistd_64.h，比如sys_bar。
修改內容參見下面的diff文件：
diff -r new/arch/x86/ia32/ia32entry.S old/arch/x86/ia32/ia32entry.S
855d854
< .quad sys_foo
diff -r new/arch/x86/include/asm/unistd_32.h old/arch/x86/include/asm/unistd_32.h
357d356
< #define __NR_foo 349
361c360
< #define NR_syscalls 350
---
> #define NR_syscalls 349
diff -r new/arch/x86/include/asm/unistd_64.h old/arch/x86/include/asm/unistd_64.h
689,692d688
< #define __NR_foo 312
< __SYSCALL(__NR_foo, sys_foo)
< #define __NR_bar 313
< __SYSCALL(__NR_bar, sys_bar)
diff -r new/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S old/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S
351d350
< .long sys_foo
diff -r new/include/asm-generic/unistd.h old/include/asm-generic/unistd.h
694,695d693
< #define __NR_foo 272
< __SYSCALL(__NR_foo, sys_foo)
698c696
< #define __NR_syscalls 273
---
> #define __NR_syscalls 272
diff -r new/kernel/sys.c old/kernel/sys.c
1920,1928d1919
<
< asmlinkage long sys_foo(void)
< {
< return 1112223334444555;
< }
< asmlinkage long sys_bar(void)
< {
< return 1234567890;
< }
3.3 編譯內核
#cd linux-3.2.28 #make menuconfig (選擇要編譯參數(shù)，如果不熟悉內核編譯，用默認選項即可) #make all (這一步真的時間很長......) #make modules_install #make install (這一步會把新的內核加到啟動項中) #reboot (重啟系統(tǒng)進入新的內核)
3.4 編寫調用的系統(tǒng)調用的代碼
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#define __NR_foo 312
#define __NR_bar 313
int main()
{
printf ("result foo is %ld\n", syscall(__NR_foo));
printf("%s\n", strerror(errno));
printf ("result bar is %ld\n", syscall(__NR_bar));
printf("%s\n", strerror(errno));
return 0;
}
編譯運行上面的代碼：
#gcc test.c -o test #./test
運行結果如下：
result foo is 1112223334444555 Success result bar is 1234567890 Success
浙公網(wǎng)安備 33010602011771號