一、实验原理
二、实验准备
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
配置内核编译选项并编译内核
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)
make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads available
# 测试⼀下内核能不能正常加载运⾏，因为没有⽂件系统终会kernel panic
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage # 此时应该不能正常运行
配置过程如下图所示：
制作根文件系统
axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2
cd busybox-1.31.1
make menuconfig
#记得要编译成静态链接，不⽤动态链接库。
Settings --->
[*] Build static binary (no shared libs)
#然后编译安装，默认会安装到源码⽬录下的 _install ⽬录中。
make -j$(nproc) && make install
配置过程如下：
制作内核根文件系统镜像
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/
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 "Welcome My OS!" echo "-------------------" cd home /bin/sh
给init脚本增加可执行权限
chmod +x init
输入下面代码查看qemu运行情况：
#打包成内存根⽂件系统镜像 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 qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz
由下图可知qemu正常运行，可以着手开始做实验：
三、实验过程
1.触发系统调用准备工作
本人学号末尾两位为69，故通过查看打开/linux-5.4.34/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl可知69号调用为msgsnd，该调用用于向消息队列发送消息，对应的内核处理函数为__x64_sys_msgsnd。
我们使用下面的代码触发系统调用
//test_msgsnd.c
int main()
{
asm volatile(
//使⽤EAX传递系统调⽤号69
"movl $0x45,%eax\n\t"
//触发系统调用
"syscall\n\t"
);
return 0;
}
写好test_msgsnd.c后，使用命令
gcc -o test_msgsnd msgsnd.c -static
形成可执行文件，并将文件放至rootfs/home路径下，重新执行
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz
从如下结果可以看到触发代码test_msgsnd.c对应的可执行程序已经移入系统中。
2.gdb调试过程
首先使用如下命令启动qemu模拟器：
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S –s
再打开⼀个窗⼝，启动gdb，把内核符号表加载进来，输入以下命令建⽴连接：
cd linux-5.4.34/ gdb vmlinux (gdb) target remote:1234 (gdb) b x86_sys_msgsnd
执行过程如下图所示：
然后在qemu模拟器内执行test_msgsnd触发代码，之后便可以在gdb处查看断点信息：
使用bt命令查看堆栈，l命令查看对应代码，由下图可知msgsnd通过syscall进行系统调用，entry_SYSCALL_64是系统调用的入口。
在gdb中进行单步执行，可以发现保存现场信息的步骤:
其中的 swapgs指令用于保存现场。这是在x86-64中引入的指令，将保存现场和恢复现场时的CPU寄存器也通过CPU内部的存储器快速保存和恢复。
继续往下执行，可以发现如下恢复现场和系统调用返回的执行过程：
其中，popq %rdi 和popq %rsp恢复了寄存器和堆栈现场，而最后执行的宏USERGS_SYSRET64,做了两部分工作：swapgs——恢复现场和sysretq——系统调用返回。
3.实验总结
从上述实验过程中，可大致了解系统调用执行过程：首先，msgsnd函数底层触发系统调用，在对应的系统调用入口entry_SYSCALL_64中，执行swapgs保存现场。之后，do_syscall_64函数根据rax寄存器中的系统调用号找到对应的系统调用__x64_sys_msgsnd，在系统调用表sys_call_table中找到相应的函数进行调用并将寄存器中保存的参数取出来，作为函数参数，然后陷入内核。系统调用函数执行完毕后，通过popq %rdi 、popq %rsp和宏USERGS_SYSRET64恢复现场并返回。