深入理解系统调用

一、实验要求

• 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,我的学号32.

• 通过汇编指令触发该系统调用

• 通过gdb跟踪该系统调用的内核处理过程

• 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

二、环境配置

1、安装开发工具

sudo apt install build-essential
sudo apt install qemu # install QEMU
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev

 2、下载内核源码

sudo apt install axel 
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz 
xz -d linux-5.4.34.tar.xz 
tar -xvf linux-5.4.34.tar 
cd linux-5.4.34

 3、配置内核选项

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)

4、编译和运⾏内核

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，因为没有⽂件系统终会kernel panic 
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage #此时不能正常运行

5、制作根文件系统

axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2 
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2 
cd busybox-1.31.1

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

6、制作内存根文件系统镜像

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/ 

 7、准备init脚本文件放在根文件系统跟目录下(rootfs/init)，添加如下内容到init文件

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

 8、给init脚本添加可执行权限

chmod +x init

9、打包成内存根文件系统镜像并执⾏init脚本

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../ 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 
# cd.. 退到rootfs.cpio.gz所在的目录 qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz 

 

 

三、查看系统调用并编写调用汇编代码

1、打开/linux-5.4.34/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl，找到自己学号后两位32对应的系统调用命令：dup（dup返回的文件描述符总是取最小的可用值）

  2、编写test_dup.c程序，调用32号系统调用

int main()
{
    asm volatile(
    "movl $0x20,%eax\n\t" //使⽤EAX传递系统调⽤号32
    "syscall\n\t" //触发系统调⽤ 
    );
    return 0;
}

3、使用gcc静态编译，并重新打包

gcc -o test_dup test_dup.c -static
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

4、进行gdb调试

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"

#开启新的terminal

cd linux-5.4.34
gdb vmlinux
target remote:1234
#设置断点
b __x64_sys_dup

5、通过命令c来继续运行，通过n来实现gdb单步调试

 6、通过bt可观察当前堆栈信息

 

 四、实验结果分析

通过最终的堆栈信息如下

• 第一层/ 顶层 __x64_sys_dup 系统调用函数所在
• 第二层 do_syscall_64 获取系统调用号， 前往系统调用函数
• 第三层 entry_syscall_64 中断入口，做保存线程工作，调用 do_syscall_64
• 第四层 OS相关

首先断点定位到位于fs/file的第978行

其次查看do_syscall_64，在at arch/x86/entry/common.c的第290行

然后查看entry_syscall_64，在arch/x86/entry/entry_64.S的第175行

 根据单步调试结果，印证了堆栈结果：

 最终总结一下整个过程：

1. 通过汇编指令syscall 触发系统调用，并从MSR寄存器找到中断函数入口，此时，代码执行到 arch/x86/entry/entry_64.S 目录下的ENTRY(entry_SYSCALL_64)入口，然后开始通过swapgs 和压栈动作保存现场。
2. 接着跳转到了 arch/x86/entry/common.c 目录下的 do_syscall_64 函数，在ax寄存器中获取到系统调用号，接着去执行系统调用的具体内容。
3. 接着程序跳转到 fs/file.c 下的 ksys_dup 函数，并开始执行
4. 在函数执行完后回到步骤3中的syscall_return_slowpath(regs); 准备进行现场恢复操作，
5. 接着程序再次回到arch/x86/entry/entry_64.S，执行现场的恢复，最后两句，完成了堆栈的切换。