Socket与系统调用深度分析

什么是系统调用？

　　计算机系统的各种硬件资源是有限的，在现代多任务操作系统上同时运行的多个进程都需要访问这些资源，为了更好的管理这些资源进程是不允许直接操作的，所有对这些资源的访问都必须有操作系统控制。也就是说操作系统是使用这些资源的唯一入口，而这个入口就是操作系统提供的系统调用（System Call）。在linux中系统调用是用户空间访问内核的唯一手段，除异常和陷入外，他们是内核唯一的合法入口。

　　一般情况下应用程序通过应用编程接口API，而不是直接通过系统调用来编程。在Unix世界，最流行的API是基于POSIX标准的。

　　操作系统一般是通过中断从用户态切换到内核态。中断就是一个硬件或软件请求，要求CPU暂停当前的工作，去处理更重要的事情。比如，在x86机器上可以通过int指令进行软件中断，而在磁盘完成读写操作后会向CPU发起硬件中断。

　　中断有两个重要的属性，中断号和中断处理程序。中断号用来标识不同的中断，不同的中断具有不同的中断处理程序。在操作系统内核中维护着一个中断向量表（Interrupt Vector Table），这个数组存储了所有中断处理程序的地址，而中断号就是相应中断在中断向量表中的偏移量。

　　一般地，系统调用都是通过软件中断实现的，x86系统上的软件中断由int $0x80指令产生，而128号异常处理程序就是系统调用处理程序system_call()，它与硬件体系有关，在entry.S中用汇编写。接下来就来看一下Linux下系统调用具体的实现过程。

什么是socket？

套接字（socket）是一个抽象层，应用程序可以通过它发送或接收数据，可对其进行像对文件一样的打开、读写和关闭等操作。套接字允许应用程序将I/O插入到网络中，并与网络中的其他应用程序进行通信。网络套接字是IP地址与端口的组合。

　　套接字可以看成是两个网络应用程序进行通信时，各自通信连接中的一个端点。通信时，其中的一个网络应用程序将要传输的一段信息写入它所在主机的Socket中，该Socket通过网络接口卡的传输介质将这段信息发送给另一台主机的Socket中，使这段信息能传送到其他程序中。因此，两个应用程序之间的数据传输要通过套接字来完成。工作流程如下图所示：

• Socket()：创建套接字。

• Bind()：指定本地地址。在某个知名端口（Well-known Port）上操作的服务器进程必须要对系统指定本地端口，所以一旦创建了一个套接字，服务器就必须使用bind()系统调用为套接字建立一个本地地址。

• Connect()：将套接字连接到目的地址。客户机可以调用connect()为套接字绑定一个永久的目的地址，将它置于已连接状态。对数据流方式的套接字，必须在传输数据前，调用connect()构造一个与目的地的TCP连接，并在不能构造连接时返回一个差错代码。

• Listen()：设置等待连接状态。对于一个服务器的程序，当申请到套接字，并调用bind()与本地地址绑定后，就应该等待某个客户机的程序来要求连接。listen()就是把一个套接字设置为这种状态的函数。

• Accept()：接受连接请求。服务器进程使用系统调用socket，bind和listen创建一个套接字，将它绑定到知名的端口，并指定连接请求的队列长度。然后，服务器调用Accept进入等待状态，直到到达一个连接请求。

• Send()/Receive()：发送和接收数据 。在数据流方式中，一个连接建立以后，或者在数据报方式下，调用了Connect()进行了套接字与目的地址的绑定后，就可以调用Send()和Receive()函数进行数据传输。

• Close()：关闭套接字。

实验过程

启动gdb server

qemu -kernel ../linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img -append  nokaslr -s -S

设置断点

gdb
file ~/LinuxKernel/linux-5.0.1/vmlinux
break sys_socketcall
target remote:1234
c

执行结果：

打开socket.c文件，SYSCALL_DEFINE2函数的定义，如下所示：

SYSCALL_DEFINE2(socketcall, int, call, unsigned long __user *, args)
{
　　unsigned long a[AUDITSC_ARGS];
　　unsigned long a0, a1;
　　int err;
　　unsigned int len;

　　if (call < 1 || call > SYS_SENDMMSG)
　　　　return -EINVAL;
　　call = array_index_nospec(call, SYS_SENDMMSG + 1);

　　len = nargs[call];
　　if (len > sizeof(a))
　　　　return -EINVAL;

　　/* copy_from_user should be SMP safe. */
　　if (copy_from_user(a, args, len))
　　　　return -EFAULT;

　　err = audit_socketcall(nargs[call] / sizeof(unsigned long), a);
　　if (err)
　　　　return err;

　　a0 = a[0];
　　a1 = a[1];

　　switch (call) {
　　　　case SYS_SOCKET:
　　　　　　err = __sys_socket(a0, a1, a[2]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_BIND:
　　　　　　err = __sys_bind(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_CONNECT:
　　　　　　err = __sys_connect(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_LISTEN:
　　　　　　err = __sys_listen(a0, a1);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_ACCEPT:
　　　　　　err = __sys_accept4(a0, (struct sockaddr __user *)a1,(int __user *)a[2], 0);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_GETSOCKNAME:
　　　　　　err =__sys_getsockname(a0, (struct sockaddr __user *)a1,(int __user *)a[2]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_GETPEERNAME:
　　　　　　err =__sys_getpeername(a0, (struct sockaddr __user *)a1,(int __user *)a[2]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_SOCKETPAIR:
　　　　　　err = __sys_socketpair(a0, a1, a[2], (int __user *)a[3]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_SEND:
　　　　　　err = __sys_sendto(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],NULL, 0);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_SENDTO:
　　　　　　err = __sys_sendto(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],(struct sockaddr __user *)a[4], a[5]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_RECV:
　　　　　　err = __sys_recvfrom(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],NULL, NULL);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_RECVFROM:
　　　　　　err = __sys_recvfrom(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],(struct sockaddr __user *)a[4],(int __user *)a[5]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_SHUTDOWN:
　　　　　　err = __sys_shutdown(a0, a1);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_SETSOCKOPT:
　　　　　　err = __sys_setsockopt(a0, a1, a[2], (char __user *)a[3],a[4]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_GETSOCKOPT:
　　　　　　err =__sys_getsockopt(a0, a1, a[2], (char __user *)a[3],(int __user *)a[4]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_SENDMSG:
　　　　　　err = __sys_sendmsg(a0, (struct user_msghdr __user *)a1,a[2], true);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_SENDMMSG:
　　　　　　err = __sys_sendmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1, a[2],a[3], true);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_RECVMSG:
　　　　　　err = __sys_recvmsg(a0, (struct user_msghdr __user *)a1,a[2], true);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_RECVMMSG:
　　　　　　if (IS_ENABLED(CONFIG_64BIT) || !IS_ENABLED(CONFIG_64BIT_TIME))
　　　　　　　　err = __sys_recvmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1,a[2], a[3],(struct __kernel_timespec __user *)a[4],NULL);
　　　　　　else
　　　　　　　　err = __sys_recvmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1,a[2], a[3], NULL,(struct old_timespec32 __user *)a[4]);
　　　　　　break;
　　　　case SYS_ACCEPT4:
　　　　　　err = __sys_accept4(a0, (struct sockaddr __user *)a1,(int __user *)a[2], a[3]);
　　　　　　break;
　　　　default:
　　　　　　err = -EINVAL;
　　　　　　break;
　　　　}
　　return err;
}

可以看出，函数有一个参数call，在函数内部会根据call的不同值来确定返回不同的处理方式，再socket中有不同的函数如Socket()：创建套接字，Bind()：指定本地地址，Connect()：将套接字连接到目的地址等，根据传入参数的不同进行相应的处理。