深入理解系统调用

实验内容：

1. 找一个系统调用，系统调用号为学号最后2位相同的系统调用
2. 通过汇编指令触发该系统调用
3. 通过gdb跟踪该系统调用的内核处理过程
4. 重点阅读分析系统调用入口的保存现场、恢复现场和系统调用返回，以及重点关注系统调用过程中内核堆栈状态的变化

一、搭建Linux内核调试环境

1.配置内核选项

make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig' 
make menuconfig 

打开内核选项界面后，打开debug相关选项，关闭KASLR

# 打开debug相关选项
Kernel hacking ---> 
  Compile-time checks and compiler options ---> 
    [*] Compile the kernel with debug info 
    [*] Provide GDB scripts for kernel debugging 
[*] Kernel debugging 

# 关闭KASLR，否则会导致打断点失败
Processor type and features ----> 
  [] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

2.编译和运行内核

make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads available 
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage # 测试⼀下内核能不能正常加载运⾏，因为没有⽂件系统最终会kernel panic 

启动 qemu 后，从下图的最后一行可以看出来内核不能正常加载运行，并且终止在 kernel panic

3.利用busybox制作内存根文件系统

# 下载 busybox 源代码并解压
axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2 # 下载 busybox 源代码
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2 # 解压
cd busybox-1.31.1

# 配置编译，并安装
make menuconfig # 配置编译
#编译成静态链接，不⽤动态链接库。
#Settings ---> 
#  [*] Build static binary (no shared libs) 
make -j$(nproc) && make install # 编译安装，默认会安装到源码⽬录下的 _install ⽬录中。

# 制作内存根⽂件系统镜像
cd ..
mkdir rootfs 
cd rootfs 
cp ../busybox-1.31.1/_install/* ./ -rf 
mkdir dev proc sys home 
sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

# 准备init脚本⽂件放在根⽂件系统根⽬录下（rootfs/init）并添加可执⾏权限
chmod +x init

init文件添加如下内容

#!/bin/sh 
mount -t proc none /proc 
mount -t sysfs none /sys 
echo "Wellcome MengningOS!" 
echo "--------------------" 
cd home 
/bin/sh

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz # 打包成内存根⽂件系统镜像
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz # 测试挂载根⽂件系统，看内核启动完成后是否执⾏init脚本

从下图能看到输出的 "Wellcome MengningOS!"，说明内核启动后已经成功执行init脚本

二、跟踪系统调用

学号后两位为06，查找到系统调用为 lstat，该系统调用的功能为获取文件属性。

自己写汇编代码，不设置参数， 直接将 0x06 放入 %eax，系统调用会出错，并且在操作过程中发现 ls 指令会调用 lstat，所以直接通过 ls 指令来捕捉 lstst 系统调用中断。
如下图所示，系统调用中断入口为 entry_SYSCALL_64, 然后调用 do_syscall_64, 最后进入系统调用执行函数 __x64_sys_newlstat。

1. entry_SYSCALL_64保护现场和恢复现场过程

源码

我们来看一下gdb跟踪到的恢复现场过程跟上图相同

通过源码跟踪发现 USERGS_SYSRET64 是一个宏定义，实际上执行了 快照恢复指令 swapgs 和 系统调用返回指令 sysretq

2. do_syscall_64 分析

gdb跟踪到的行为与代码也是一致的，do_syscall_64 最后执行的是 syscall_return_slowpath(regs)

3. __x64_sys_newlstat代码实现