Linux内核分析：扒开系统调用的三层皮（上）

一般的CPU有不同的指令执行级别：

高级别：特权指令，可访问任意的物理地址。（内核态）
低级别：访问部分地址，代码的掌控范围会受到限制。

x86有四种不同的指令执行级别0~3，而Linux只使用了0级和3级来表示内核态和用户态。这是让操作系统变得更稳定的一种机制。

• CS寄存器的最低两位表明了当前代码的特权级
• 在Linux中，地址空间是一个显著的标志，部分地址只能在内核态下访问（此处指逻辑地址）
• 中断处理是从用户态进入内核态的主要方式，系统调用是一种特殊的中断

从用户态切换到内核态：要保存当前用户态和内核态的寄存器上下文，如把当前的栈顶地址，状态字，cs:eip的值保存到内核堆栈，然后加载中断服务的入口到cs:eip里面，同时把ss:esp加载到CPU中

• 保存现场就是进入中断服务程序，保存需要用到的寄存器的数据
• 恢复现场是退出中断程序，恢复保存的寄存器的数据，发生在中断程序结束前的最后一句

系统调用

• 意义： 把用户从底层的硬件编程中解放出来；极大的提高了系统的安全性；使用户程序具有可移植性
• API和系统调用是不同的：API只是一个函数定义，系统调用通过软中断向内核发出一个明确的请求

1. 当用户态进程调用一个系统调用时，CPU切换到内核态并开始执行一个内核函数（在Linux中是通过执行int $0x80来执行系统调用的， 这条汇编指令产生向量为128的编程异常）
2. 传参：内核实现了很多不同的系统调用， 进程必须指明需要哪个系统调用，这需要传递一个名为系统调用号的参数（使用eax寄存器）
3. system_call是linux中所有系统调用的入口点，每个系统调用至少有一个参数，即由eax传递的系统调用号，eax的设置是libc库中的封装例程进行的，在进入中断程序之前赋值，因此用户一般不关心系统调用号，进入sys_call之后，立即将eax的值压入内核堆栈
4. 系统调用的返回值使用eax存储，和普通函数一样
5. 在系统调用号（eax）之外，传递的参数个数不能超过6个，可使用ebx，ecx，edx，esi，edi，ebp等寄存器，若参数超过6个，可将指向参数的指针赋给寄存器

实验部分：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

调用库函数API代码如下：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    struct utsname n;
    uname(&n);
    printf(" sysname:%s\n nodename:%s\n release:%s\n version:%s\n machine:%s\n ",\
                    n.sysname,\
                    n.nodename,\
                    n.release,\
                    n.version,\
                    n.machine);
    return 0;
}

实验结果：

调用库函数API

C代码中嵌入汇编代码：

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    struct utsname n;
    int *s=&n;
    asm volatile(
            "mov %0,%%ebx\n\t"
            "mov $0x7A,%%eax\n\t"
            "int $0x80\n\t"
            :"=m"(s)
            );
    printf(" sysname:%s\n nodename:%s\n release:%s\n version:%s\n machine:%s\n ",\
                   n.sysname,\
           n.nodename,\
                   n.release,\
                   n.version,\
                   n.machine);
return 0;
}

实验结果：

嵌入汇编代码

本次实验采用的是uname系统调用，可以获取当前内核名称和其它信息。在调用库函数API时，传递的是结构n的地址，它指向了存放系统信息的缓冲区；在嵌入的汇编代码中，先将结构n的地址传给ebx，再将系统调用号122传递给eax，int $0x80系统通过中断处理，来进入内核态，进行系统调用，从而转到相应函数去执行。

总结：

1. 系统调用可以通过调用对应的API进行，它是操作系统赋予程序员的对底层的硬件编程的接口。
2. 系统调用是通过中断处理的方式来从用户态进入内核态的，通过调用的API，执行int $0x80进行中断处理，进入内核态，实现系统调用，因此系统调用可以说是一种特殊的中断。
3. 然后进入该中断向量对应的中断服务程序，也就是system_call，它是Linux中所有系统调用的入口点，因为每个系统调用被赋予了不同的系统调用号（由eax传递），然后根据不同的系统调用号来进入不同的系统调用服务程序。这样就完成了系统调用。
4. 由此可见，系统调用的“三层皮”是指对应的API、中断服务程序、系统调用服务程序。

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