linux系统调用原理

x86架构

trap_init

在系统启动的时候start_kernel会调用trap_init来初始化异常向量表

start_kernel
    trap_init
        set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);
            ...
                memcpy(&idt[entry], gate, sizeof(*gate));

设置0x80号软中断的服务程序为system_call, system_call是所有系统调用的总入口.
当进程执行到用户程序的系统调用命令时，实际上执行了由宏命令_syscallN()展开的函数。系统调用的参数由各通用寄存器传递，比如通过eax寄存器传递系统调用号和系统调用返回值，通过ebx/ecx/edx/esi/edi传递系统调用参数，然后执行INT 0x80，以内核态进入入口地址system_call。

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system_call

在arch/x86/kernel/entry_32.S文件中定义了system_call，在system_call里面调用了sys_call_table

ENTRY(system_call)
    RING0_INT_FRAME         # can't unwind into user space anyway
    ASM_CLAC
    pushl_cfi %eax          # save orig_eax
    SAVE_ALL
    GET_THREAD_INFO(%ebp)
                    # system call tracing in operation / emulation
    testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)
    jnz syscall_trace_entry
    cmpl $(NR_syscalls), %eax
    jae syscall_badsys
syscall_call:
    call *sys_call_table(,%eax,4)
    movl %eax,PT_EAX(%esp)      # store the return value
syscall_exit:
    LOCKDEP_SYS_EXIT
    DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)    # make sure we don't miss an interrupt
                    # setting need_resched or sigpending
                    # between sampling and the iret
    TRACE_IRQS_OFF
    movl TI_flags(%ebp), %ecx
    testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx # current->work
    jne syscall_exit_work

...
ENDPROC(system_call)

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sys_call_table

sys_call_table是在哪里定义的：

const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
    /*
     * Smells like a compiler bug -- it doesn't work
     * when the & below is removed.
     */
    [0 ... __NR_syscall_max] = &sys_ni_syscall,
#include 
};

编译内核的时候，当执行到文件/usr/src/linux-3.10.21/arch/x86/syscalls/Makefile时，该文件会执行/usr/src/linux-3.10.21/arch/x86/syscalls/目录下的shell脚本syscalltbl.sh，该脚本将同目录下的syscall_32.tbl文件作为输入，然后生成文件/usr/src/linux-3.10.21/arch/x86/include/generated/asm/syscalls_32.h，这个文件正是sys_call_table定义中包含的文件asm/syscalls_32.h。

来看下脚本syscalltbl.sh

#!/bin/sh

in="$1"
out="$2"

grep '^[0-9]' "$in" | sort -n | (
    while read nr abi name entry compat; do
    abi=`echo "$abi" | tr '[a-z]' '[A-Z]'`
    if [ -n "$compat" ]; then
        echo "__SYSCALL_${abi}($nr, $entry, $compat)"
    elif [ -n "$entry" ]; then
        echo "__SYSCALL_${abi}($nr, $entry, $entry)"
    fi
    done
) > "$out"

其中in和out分别代表的就是syscall_32.tbl和syscalls_32.h文件的路径。脚本大概意思就是读取syscall_32.tbl内容，然后构造语句__SYSCALL_abi(nr, entry,entry)”。

输入文件syscall_32.tbl部分内容如下：

#
# 32-bit system call numbers and entry vectors
#
# The format is:
#     
#
# The abi is always "i386" for this file.
#
0   i386    restart_syscall     sys_restart_syscall
1   i386    exit            sys_exit
2   i386    fork            sys_fork            stub32_fork
3   i386    read            sys_read
4   i386    write           sys_write
5   i386    open            sys_open            compat_sys_open
6   i386    close           sys_close

输出文件syscalls_32.h的部分内容：

__SYSCALL_I386(0, sys_restart_syscall, sys_restart_syscall)
__SYSCALL_I386(1, sys_exit, sys_exit)
__SYSCALL_I386(2, sys_fork, stub32_fork)
__SYSCALL_I386(3, sys_read, sys_read)
__SYSCALL_I386(4, sys_write, sys_write)
__SYSCALL_I386(5, sys_open, compat_sys_open)
__SYSCALL_I386(6, sys_close, sys_close)

所以sys_call_table的定义中包含了asm/syscall_32.h，就相当于包含了上面这么多宏定义，sys_call_table就是采用这种方法定义的。

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添加自己的系统调用

1) 在文件/usr/src/linux-3.10/arch/x86/syscalls/syscall_32.tbl中加入自定义的系统调用号和函数名

2) 在文件/usr/src/linux-3.10/arch/x86/include/asm/syscalls.h文件中加入sys_foo函数的声明

3) 在文件/usr/src/linux-3.10/kernel/sys.c文件中加入对sys_foo的定义

4) 编译和安装内核

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测试自定义的系统调用

#include
#define __NR_foo 351

int main(void)
{
    int rs;

    rs = syscall(__NR_foo);
    if (!rs)
        printf("syscall success!\n");
    return 0;
}

代码中用到了syscall函数，这个函数功能就是根据给定的系统调用号来调用系统调用
编译运行上面的代码，用dmesg可以看到系统输出的信息:

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MIPS架构

trap_init

和x86架构一样，在系统启动的时候start_kernel会调用trap_init来初始化异常向量表

start_kernel
    trap_init
        set_except_vector(8, handle_sys);
            exception_handlers[n] = handler;
        memcpy((void *) (RLX_TRAP_VEC_BASE), &rlx_trap_dispatch, RLX_TRAP_VEC_SIZE);

RLX_TRAP_VEC_BASE的地址是0x8000080，相当于是将异常处理函数rlx_trap_dispatch的地址复制到0x8000080的地方，当发生异常中断的时候，便会跳到rlx_trap_dispatch的地方执行。

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rlx_trap_dispatch

在arch/rlx/genex.S文件中定义

NESTED(rlx_trap_dispatch, 0, sp)
    .set    push
    .set    noat
    mfc0    k1, CP0_CAUSE
    andi    k1, k1, 0x7c
    PTR_L   k0, exception_handlers(k1)
    jr  k0
    .set    pop
    END(rlx_trap_dispatch)

这个异常处理函数又会调用exception_handlers, 他就是之前用set_except_vector函数赋值的exception_handlers数组，这里我们只关心去调用handle_sys函数。handle_sys函数在arch/rlx/kernel/scall32-o32.S中定义，他里面又调用了sys_call_table。

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sys_call_table

    .macro  syscalltable
    sys sys_syscall     8   /* 4000 */
    sys sys_exit        1
    sys __sys_fork      0
    sys sys_read        3
    sys sys_write       3
    sys sys_open        3   /* 4005 */
    sys sys_close       1
    ...
    .type   sys_call_table,@object
EXPORT(sys_call_table)

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unistd.h

文件include/uapi/asm-generic/unistd.h为每个系统调用规定了唯一的编号，根据这个编号，可以在系统调用表sys_call_table中找到对应表项的内容，他正好是该系统调用的响应函数sys_name的入口地址。

...
/* net/socket.c */
#define __NR_socket 198
__SYSCALL(__NR_socket, sys_socket)
#define __NR_socketpair 199
__SYSCALL(__NR_socketpair, sys_socketpair)
#define __NR_bind 200
__SYSCALL(__NR_bind, sys_bind)
#define __NR_listen 201
__SYSCALL(__NR_listen, sys_listen)
#define __NR_accept 202
__SYSCALL(__NR_accept, sys_accept)
#define __NR_connect 203
__SYSCALL(__NR_connect, sys_connect)
#define __NR_getsockname 204
__SYSCALL(__NR_getsockname, sys_getsockname)
#define __NR_getpeername 205
__SYSCALL(__NR_getpeername, sys_getpeername)
#define __NR_sendto 206
__SYSCALL(__NR_sendto, sys_sendto)
#define __NR_recvfrom 207
__SC_COMP(__NR_recvfrom, sys_recvfrom, compat_sys_recvfrom)
...

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参考文章

1. linux系统调用的基本原理以及添加系统调用的方法
2. linux自定义系统调用