2018-2019-1 20189213《Linux内核原理与分析》第五周作业

第四章：系统调用的三层机制(上)

系统调用的"三层皮"

分别指的是：用户态函数(API)、system_call(中断服务程序入口)以及sys_xyz()系统调用处理函数封装例程。它们各自的作用如下：

API

第一层是指Libc中定义的API，这些API封装了系统调用，使用int0x80触发一个系统调用中断；
当然，并非所有的API都使用了系统调用，如完成数学加减运算的API就没有使用系统调用；
也有可能某个API使用了多个系统调用；
这一层的作用就是为应用程序员提供易于使用的API来调用系统调用；

system_call

它运行于内核态。system_call是所有系统调用在内核的入口点，在其中的开始处保护用户态程序执行上下文，结束处恢复用户态程序执行上下文，在中间根据传入的系统调用号对应的中断服务程序；

sys_xyz()系统调用封装例程

执行具体的系统调用操作，完成用户的系统调用请求；每个系统调用都对应一个封装例程。
由上面的分析我们可以知道，理论上要请求一个系统调用，我们既可以使用Libc提供的API，也可以直接在C中内嵌汇编代码触发0x80中断来完成。

下面实验，我们就用实际的例子来演示这两种方法使用同一个系统的调用：

getpid和getuid

首先我们选择的是比较简单的系统调用sys_pid(进程ID)()，sys_uid(用户ID)，通过查阅系统调用列表发现它对应的系统调用号分别是20，24；
利用这个系统调用可以在屏幕上输出进程id和用户id；而这两个系统调用函数对应的API就是getpid和getuid；
第一步我们首先使用C语言代码实现：
C语言代码如下图所示：

然后运行后我们发现进程id与用户id已输出：

接下来我们运用C语言中内嵌汇编代码来实现调用getpid和getuid系统调用：
下图是内嵌汇编代码的具体代码：

然后是编译成功界面：

可以看出两种方法都输出了进程id和用户id；
参数传递的过程：
以getpid系统调用为例，首先是系统调用传递第一个参数使EBX寄存器的值为0，然后使用eax寄存器传递系统调用号20，然后用int 0x80触发系统调用，最后通过eax寄存器返回系统调用值。

rename

后面我们又选择了系统调用sys_rename()，它含有两个参数，通过查阅系统调用列表发现它对应的系统调用号是38；
利用这个系统调用可以给一个文件重命名；而这个系统调用函数对应的API就是rename。
第一步我们使用C语言代码调用rename系统调用：
C语言代码如下图所示：

然后运行后我们发现原有文件夹hello.c改变成了newhello.c:

接下来我们运用C语言中内嵌汇编代码来实现调用rename系统调用：
下图是内嵌汇编代码的具体代码：

然后是编译成功执行界面：

可以看出hello.c也成功改为了newhello.c。
两种方法都实现了给文件夹重命名的功能，但C语言中内嵌汇编涉及了很多参数。
下面分析rename系统调用参数的传递：
首先是将oldname存入EBX寄存器，将newname存入ECX寄存器，这是由多个参数需要存入寄存器时按照EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP的顺序存储的；
然后将系统调用号38存入EAX寄存器，接着执行int 0X80来执行系统调用陷入内核态。其中system_call根据传入的系统调用号查找对应系统调用内核函数，根据EBX和ECX寄存器传入的参数调用内核函数sys_rename，执行完后将执行结果存放到EAX寄存器中，并同时将EAX的值传给ret。

总结：

即便是最简单的程序，也难免要用到诸如输入、输出以及退出等操作，而要进行这些操作则需要调用操作系统所提供的服务，也就是系统调用。
Linux下的系统调用是通过中断（int 0x80）来实现的。在执行int 0x80 指令时，寄存器eax 中存放的是系统调用的功能号，而传给系统调用的参数则必须按顺序放到寄存器ebx，ecx，edx，esi，edi中，当系统调用完成之后，返回值可以在寄存器 eax中获得。
所有的系统调用功能号都可以在相关网站中找到，为了便于使用，它们是用 SYS_ 这样的宏来定义的，如 SYS_write、SYS_exit等。
当一个系统调用所需的参数个数大于6时，执行int 0x80 指令时仍需将系统调用功能号保存在寄存器eax 中，所不同的只是全部参数应该依次放在一块连续的内存区域里，同时在寄存器ebx 中保存指向该内存区域的指针。系统调用完成之后，返回值仍将保存在寄存器eax 中。
由于只是需要一块连续的内存区域来保存系统调用的参数，因此完全可以像普通的函数调用一样使用栈(stack)来传递系统调用所需的参数。如果采用栈来传递系统调用所需的参数，在执行int 0x80指令时还应该将栈指针的当前值复制到寄存器 ebx中。