03 - 系统调用

---- 整理自 王利涛老师 课程
实验环境：宅学部落 www.zhaixue.cc

1. 系统调用基本概念

1.1 一个系统调用的例子

1.2 什么是系统调用？软件复用的角度

main.c – add() – add.c add.h add.o ⇒ ar ⇒ libmath.so / libmath.a
main.c – sub() – sub.c sub.h sub.o ⇒ ar ⇒ libmath.so / libmath.a

• glibc – 默认链接
• OS：硬件资源的封装，任务创建、调度，读写磁盘等
  如 ucos：OSInit() – OSTaskCreate() – 创建一个任务
  如 Linux：手机、电脑，底层的硬件、OS、上层 App
  权限管理：内核态、用户态
  系统调用：App – 陷入内核态 – 访问硬件设备

2. 软中断：系统调用的入口

2.1 权限管理

• 程序的用户态、内核态
• 操作系统 + CPU 软中断：swi / svc
• CPU 的运行级别：普通权限 & 特权
  • ARM32：
    • 普通模式：User
    • 特权模式：FIQ、IRQ、SVC、ABT、UND
  • ARM64：EL0、EL1、EL2、EL3
  • X86：ring0 ~ ring3

2.2 系统调用号

• 系统调用接口：read、write
• 内核中的实现：sys_read、sys_write
• 系统调用号：
  • 32 位 ARM：3、4
  • 64 位 ARM：0、1
  • 32 位 X86：3、4
  • 64 位 X86：0、1

2.4 man 2 syscall

man 2 syscall

2.5 实验：arm 系统调用

.text
.global _start

_start:
    mov r0, #1             /* stdout*/
    add r1, pc, #16        /* address of the string*/
    mov r2, #12            /* string length*/

    mov r7, #4             /*syscall for 'write'*/
    swi #0                 /* software interrupt*/

_exit:
    mov r7, #1             /* syscall for 'exit'*/
    swi #0                 /* software interrupt*/

_string:
.asciz "Hello world\n"          @ our string, NULL terminated

2.6 实验：x86 系统调用

• x86_32

.text
_start:
	mov $4, %eax /* syscall write */
	mov $1, %ebx /* fd */
	mov $str, %ecx
	mov $13, %edx
	int $0x80

	mov $1, %eax
	mov $0, %ebx
	int $0x80

.data
str:
	.string "Hello world!\n"

• x86_64

.text
_start:
	mov $1, %rax /* syscall write */
	mov $1, %rdi /* fd */
	mov $str, %rsi
	mov $13, %rdx
	syscall

	mov $60, %rax
	mov $0, %rdi
	syscall

.data
str:
	.string "Hello world!\n"

3. 系统调用接口的封装

3.1 glibc

3.1.1 C 标准库

• 包含一系列系统调用接口的封装
  read、write、fork、open …

3.1.2 x86 平台

3.1.3 arm 平台

3.2 syscall

• 在 C 标准库中没有封装的系统调用
• syscall 是一个库函数
• syscall 封装了系统调用的汇编接口
  • 系统调用前保存 CPU 寄存器
  • 从系统调用返回后，恢复寄存器

3.2.1 x86_64 下

#include 
#include 

int main(void)
{
	printf("Hello world!\n");
	write(1, "Hello world!\n", 13);
	
	// 系统调用号1  标准输出 字符串内容 字符串长度
	syscall(1, 1, "Hello syscall!\n", 15);

	return 0;
}

3.2.2 arm 下

#include 
#include 

int main(void)
{
	printf("Hello world!\n");
	write(1, "Hello world!\n", 13);
	
	// 系统调用号4  标准输出 字符串内容 字符串长度
	syscall(4, 1, "Hello syscall!\n", 15);

	return 0;
}

4. 系统调用流程分析

• 示例：kill
• 接口封装： /usr/arm-linux-gnueabi/lib/libc.a
• 系统调用号： arch/arm/include/generated/calls-eabi.S
• 内核实现： kernel/signal.c
• 中断处理： arch/arm/kernel/entry-common.S

// kernel\linux-5.10.4\arch\arm\include\generated\uapi\asm\unistd-common.h
...
#define __NR_kill (__NR_SYSCALL_BASE + 37) // 系统调用号
...
// kernel\linux-5.10.4\include\linux\syscalls.h
...
asmlinkage long sys_kill(pid_t pid, int sig); // 系统调用函数声明
asmlinkage long sys_tkill(pid_t pid, int sig);
asmlinkage long sys_tgkill(pid_t tgid, pid_t pid, int sig);
...

// kernel\linux-5.10.4\kernel\signal.c
...
/**
 *  sys_kill - send a signal to a process
 *  @pid: the PID of the process
 *  @sig: signal to be sent
 */
SYSCALL_DEFINE2(kill, pid_t, pid, int, sig) // 系统调用函数实现
{
	struct kernel_siginfo info;

	prepare_kill_siginfo(sig, &info);

	return kill_something_info(sig, &info, pid);
}
...

// kernel\linux-5.10.4\arch\arm\include\generated\calls-eabi.S
...
NATIVE(37, sys_kill) // 中断向量表
...

// kernel\linux-5.10.4\arch\arm\kernel\entry-common.S
// 中断处理程序

5. 添加一个系统调用

1. 增加内核对应的实现函数
2. 在系统调用表中增加一个系统调用号及入口
3. 编写测试程序：在应用层发起系统调用

6. 系统调用的开销

6.1 主要开销

• 中断
• 抢占系统、任务调度
• 同步
• IO 等待

6.2 解决之道

• 快速系统调用：fast system call
• 虚拟系统调用：vsyscall
• 虚拟动态共享对象：VDSO

6.2.1 快速系统调用

• x86 处理器
  • 专门为系统调用设计的汇编指令
    Intel：sysenter、sysexit
    AMD：syscall、sysret
  • 简化了系统调用和返回流程
  • 预加载参数、不做权限检查
  • 不再查表，直接从寄存器取值，实现快速跳转：MSR 寄存器
  • 不需要保存地址和返回地址等信息

6.2.2 虚拟系统调用：vsyscall

proc/<PID>/maps
# 查看进程的虚拟地址空间是如何使用的。

• 编程实验：获取当前系统时间

1. 使用系统调用 time 获取当前时间
2. 使用虚拟系统调用接口获取当前时间
3. 比较 1 和 2 的结果并分析
   原先：app – time – int 80h / syscall – kernel – sys_time – user space
   现在：app – time – vsyscall – user space （效率更高）

#include 
#include 

typedef time_t (*time_fp)(time_t *);

int main(void)
{
    time_t t1, t2;

    t1 = time(NULL);

    time_fp fp = (time_fp)0xffffffffff600400; // 可以下载 glibc-2.22 之前的版本，
    										  // 搜索：grep -nr VSYSCALL_ADDR_vtime 查看这里的地址。
    t2 = fp(NULL);

    printf("t1 = %ld\n", t1);
    printf("t2 = %ld\n", t2);

    return 0;
}

6.2.3 虚拟动态共享对象：VDSO

• vsyscall 的局限性
  • 分配的内存有限
  • 只支持 4 个系统调用
  • 在进程中的位置是静态的、固定的，易受攻击
• VDSO 的改进
  • 提供超过 4 个系统调用
  • 在进程中的地址是随机的。如：time

6.2.3.1 VDSO：virtual dynamic shared object

• # cat /proc/self/maps （6.2.2 中演示）
• 源码在内核中实现
  arch/arm/kernel/vdso.c
  关键函数：vdso_mremap、install_vvar
• 速度最快
• 开销最小，基本等价于函数调用开销

6.2.3.2 VVAR：VDSO data page

• struct vdso_data

6.2.3.3 实验：反汇编 VDSO 动态库

1. 将 VDSO 指令从内存中 dump 出来
2. 反汇编为汇编代码
3. 分析汇编代码

可以关闭随机地址功能：echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

可以通过：cat /proc/self/smaps 查看 vdso 大小。（输出内容较多，截取 vdso 大小的部分如下）

1. 将 VDSO 指令从内存中 dump 出来

2. 反汇编查看：objdump -T 显示文件的动态符号表入口，仅仅对动态目标文件有意义，比如某些共享库

起始地址：0x7ffff7fcd000
偏移：0x9e0

3. 分析

#include 
#include 

typedef time_t (*time_fp)(time_t *);

int main(void)
{
    time_t t1, t2;

    t1 = time(NULL);

    time_fp fp = (time_fp)(0x7ffff7fcd000 + 0x9e0); // 见上述2，起始地址 + 偏移
    t2 = fp(NULL);

    printf("t1 = %ld\n", t1);
    printf("t2 = %ld\n", t2);

    return 0;
}

7. 文件的读写流程