深入理解Linux系统调用

实验要求

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。

实验环境

• Ubuntu 18.04
• VMware workstation Pro 14

实验步骤

1. 下载Linux内核源码并配置QMenu虚拟环境
2. 配置内核选项，并编译

   make defconfig #Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'
   make menuconfig
   #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)
   # 配置完成后进行编译    
   make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads　available
   # 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
   qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

3. 制作根目录

           mkdir rootfs
           git clone https://github.com/mengning/menu.git
           cd menu
           sudo apt install gcc-multilib
           gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static
           cd ../rootfs
           cp ../menu/init ./
           find . | cpio -o -Hnewc | gzip -9 > ../rootfs.img

   准备init脚本并放在rootfs/init目录下

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

   给init脚本添加可执行权限

   chmod +x init

   打包成内存根文件系统镜像

   find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

   启动qemu

   qemu-system-i386 -kernel bzImage -initrd rootfs.img

   

   4.跟踪系统调用

   首先查看自己学号对应的系统调用号。我学号末尾是93，对应的是ftruncate函数

   

   ftruncate函数目的是修改文件的大小，

   　　　　　　函数原型： int truncate(const char *path,off_t length)
   　　　　　　参数： path为文件名，length为为文件的最终大小。off_t为长整型，long int。
   　　　　　　　　 (1) 最终大小比原来大，向后扩展。
       　　　　　　　 (2) 最终大小比原来小，删除后边的部分。

   　　　　　　在menu里面的test.c中加入下面两个函数，并在主函数更新。

   

   重新编译menu中的test.c文件，开启qemu，输入update，与update-asm函数，执行成功。

   

    输入update命令，执行Update函数，修改文件大小为500字节

   

    输入update-asm命令，执行UpdateAsm函数，修改文件大小为200字节

   

   使用gdb逐步跟踪系统调用

   qemu-system-i386 -kernel linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s -append nokaslr
   file vmlinux
   target remote:1234
   b sys_ftruncate
   c

   

    

    5.分析

   通过上图可以发现，在使用int 0x80中断之后，CPU会运行arch/x86/entry/entry_32.S中的指令

   分析entry_32.S代码（分析过程已写在注释中）

   1 #这段代码就是系统调用处理的过程,其它的中断过程也是与此类似
    2 #系统调用就是一个特殊的中断，也存在保护现场和回复现场
    3 ENTRY(system_call)          #这是0x80之后的下一条指令
    4     RING0_INT_FRAME         # can't unwind into user space anyway
    5     ASM_CLAC
    6     pushl_cfi %eax          # save orig_eax
    7     SAVE_ALL                 #保护现场
    8     GET_THREAD_INFO(%ebp)
    9                     # system call tracing in operation / emulation
   10     testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)
   11     jnz syscall_trace_entry
   12     cmpl $(NR_syscalls), %eax
   13     jae syscall_badsys
   14 syscall_call:
   15     # 调用了系统调用处理函数，实际的系统调用服务程序
   16     call *sys_call_table(,%eax,4)#定义的系统调用的表，eax传递过来的就是系统调用号，在例子中就是调用的systime
   17 syscall_after_call:
   18     movl %eax,PT_EAX(%esp)      # store the return value
   19 syscall_exit:
   20     LOCKDEP_SYS_EXIT
   21     DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)    # make sure we don't miss an interrupt
   22                     # setting need_resched or sigpending
   23                     # between sampling and the iret
   24     TRACE_IRQS_OFF
   25     movl TI_flags(%ebp), %ecx
   26     testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx  # current->work
   27     jne syscall_exit_work          #退出之前,syscall_exit_work 
   28     #进入到syscall_exit_work里边有一个进程调度时机
   29 
   30 restore_all:
   31     TRACE_IRQS_IRET
   32 restore_all_notrace:        #返回到用户态
   33 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX32
   34     movl PT_EFLAGS(%esp), %eax  # mix EFLAGS, SS and CS
   35     # Warning: PT_OLDSS(%esp) contains the wrong/random values if we
   36     # are returning to the kernel.
   37     # See comments in process.c:copy_thread() for details.
   38     movb PT_OLDSS(%esp), %ah
   39     movb PT_CS(%esp), %al
   40     andl $(X86_EFLAGS_VM | (SEGMENT_TI_MASK << 8) | SEGMENT_RPL_MASK), %eax
   41     cmpl $((SEGMENT_LDT << 8) | USER_RPL), %eax
   42     CFI_REMEMBER_STATE
   43     je ldt_ss           # returning to user-space with LDT SS
   44 #end
   46     RESTORE_REGS 4          # skip orig_eax/error_code
   47 irq_return:
   48     INTERRUPT_RETURN      #iret（宏），系统调用过程到这里结束

    实验总结

   Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用。用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。从某种角度来看，系统调用和普通的函数调用非常相似。区别仅仅在于，系统调用由操作系统核心提供，运行于核心态；而普通的函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。

   　　系统调用是怎么工作的？

   　　　　其原理是进程先用适当的值填充寄存器，然后调用一个特殊的指令，这个指令会跳到一个事先定义的内核中的一个位置。在Intel CPU中，这个由中断0x80实现。硬件知道一旦你跳到这个位置，你就不是在限制模式下运行的用户，而是作为操作系统的内核--由用户态转为内核态。

   　　　　进程可以跳转到的内核位置叫做sysem_call。这个过程检查系统调用号，这个号码告诉内核进程请求哪种服务。然后，它查看系统调用表(sys_call_table)找到所调用的内核函数入口地址。接着，就调用函数，等返回后，做一些系统检查，最后返回到进程（或到其他进程，如果这个进程时间用尽）。

   　　　　进程号是由eax寄存器存储的，参数一般是由ebx、ecx、edx、esl、edl、ebp来存储的。