linux下的vdso与vsyscall

linux下的vdso与vsyscall

     传统的系统调用是怎样的？    —— int 0x80的时代

....             ；通过寄存器传参
mov $n ,eax      ；将系统调用号放到eax中
int 0x80

sysenter/sysexit的出场

        在一个Kernel.org的邮件列表中，有一封邮件讨论了“"Intel P6 vs P7 system call performance”，最后得出的结论是采用传统的int 0x80的系统调用浪费了很多时间（具体原因可以看参考资料1），而sysenter/sysexit可以弥补这个缺点，所以决定在linux内核中用后都替换前者（最终在2.6版本的内核中才加入了此功能，即采用sysenter/sysexit）。

        在替换之前首先需要知道满足如下条件的ntel机器才会有sysenter/sysexit指令对：Family >= 6，Model >= 3，Stepping >= 3

        如何用替换sysenter/sysexit替换以前的int 0x80呢？linux kenerl 需要考虑到这点：有的机器并不支持sysenter/sysexit  ， 于是它跟glibc说好了，“你以后调用系统调用的时候就从我给你的这个地址调用，这个地址指向的内容要么是int 0x80调用方式，要么是sysenter/sysexit调用方式，我会根据机器来选择其中一个”（kernel与glibc的配合是如此的默契），这个地址便是vsyscall的首地址。

         可以将vdso看成一个shared objdect file（这个文件实际上不存在）,内核将其映射到某个地址空间，被所有程序所共享。（我觉得这里用到了一个技术：多个虚拟页面映射到同一个物理页面。即内核把vdso映射到某个物理页面上，然后所有程序都会有一个页表项指向它，以此来共享，这样每个程序的vdso地址就可以不相同了）

hex108@ubuntu:~/program$ uname -a
Linux ubuntu 2.6.35-22-generic #33-Ubuntu SMP Sun Sep 19 20:34:50 UTC 2010 i686 GNU/Linux
hex108@ubuntu:~/program$ sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0     //这个是必须的，否则vdso的地址是随机的(vsyscall的地址也会相应

                                                                        // 地发生变化 )，在下面dd的时候就会出现错误

                                                                        //dd: reading `/proc/self/mem': Input/output error

                                                                        
kernel.randomize_va_space = 0
hex108@ubuntu:~/program$ cat /proc/self/maps 
00110000-0012c000 r-xp 00000000 08:01 260639     /lib/ld-2.12.1.so
0012c000-0012d000 r--p 0001b000 08:01 260639     /lib/ld-2.12.1.so
0012d000-0012e000 rw-p 0001c000 08:01 260639     /lib/ld-2.12.1.so
0012e000-0012f000 r-xp 00000000 00:00 0          [vdso]
0012f000-00286000 r-xp 00000000 08:01 260663     /lib/libc-2.12.1.so
00286000-00287000 ---p 00157000 08:01 260663     /lib/libc-2.12.1.so
00287000-00289000 r--p 00157000 08:01 260663     /lib/libc-2.12.1.so
00289000-0028a000 rw-p 00159000 08:01 260663     /lib/libc-2.12.1.so
0028a000-0028d000 rw-p 00000000 00:00 0 
08048000-08051000 r-xp 00000000 08:01 130326     /bin/cat
08051000-08052000 r--p 00008000 08:01 130326     /bin/cat
08052000-08053000 rw-p 00009000 08:01 130326     /bin/cat
08053000-08074000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]
b7df0000-b7ff0000 r--p 00000000 08:01 660864     /usr/lib/locale/locale-archive
b7ff0000-b7ff1000 rw-p 00000000 00:00 0 
b7ffd000-b7ffe000 r--p 002a1000 08:01 660864     /usr/lib/locale/locale-archive
b7ffe000-b8000000 rw-p 00000000 00:00 0 
bffdf000-c0000000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack]

hex108@ubuntu:~/program$ dd if=/proc/self/mem of=gate.so bs=4096 skip=$[0x12e] count=1
dd: `/proc/self/mem': cannot skip to specified offset
1+0 records in
1+0 records out
4096 bytes (4.1 kB) copied, 0.00176447 s, 2.3 MB/s
hex108@ubuntu:~/program$ file gate.so 
gate.so: ELF 32-bit LSB shared object, Intel 80386, version 1 (SYSV), dynamically linked, stripped
hex108@ubuntu:~/program$ objdump -d gate.so 

gate.so:     file format elf32-i386


Disassembly of section .text:

ffffe400 <__kernel_sigreturn>:
ffffe400:	58                   	pop    %eax
ffffe401:	b8 77 00 00 00       	mov    $0x77,%eax
ffffe406:	cd 80                	int    $0x80
ffffe408:	90                   	nop
ffffe409:	8d 76 00             	lea    0x0(%esi),%esi

ffffe40c <__kernel_rt_sigreturn>:
ffffe40c:	b8 ad 00 00 00       	mov    $0xad,%eax
ffffe411:	cd 80                	int    $0x80
ffffe413:	90                   	nop

ffffe414 <__kernel_vsyscall>:
ffffe414:	cd 80                	int    $0x80
ffffe416:	c3                   	ret    

 

syscall 才是最后的赢家？

         x86 64位从AMD引进了syscall指令（我在x86 64的机器上，看到的结果是syscall取代了sysenter/sysexit（所有的系统调用用的都是syscall）），但是vdso,vsyscall的机制依旧未变，只是kernel决定只在遇到以下几个系统调用gettimeofday,time和getcpu（通过内核里vsyscall.h中enum vsyscall_num的声明看出来，或者在glibc源代码中搜索“VSYSCALL_ADDR_”(

#define VSYSCALL_ADDR_vgettimeofday    0xffffffffff600000

#define VSYSCALL_ADDR_vtime            0xffffffffff600400

#define VSYSCALL_ADDR_vgetcpu          0xffffffffff600800

)）时才采用vdso机制（间接调用syscall，具体可以参看资料2），其他系统调用直接用指令syscall，原因是：

 

         "快速系统调用指令"比起中断指令来说，其消耗时间必然会少一些，但是随着 CPU 设计的发展，将来应该不会再出现类似 Intel Pentium4 这样悬殊的差距。而"快速系统调用指令"比起中断方式的系统调用方式，还存在一定局限，例如无法在一个系统调用处理过程中再通过"快速系统调用指令"调用别的系统调用。因此，并不一定每个系统调用都需要通过"快速系统调用指令"来实现。比如，对于复杂的系统调用例如 fork，两种系统调用方式的时间差和系统调用本身运行消耗的时间来比，可以忽略不计，此处采取"快速系统调用指令"方式没有什么必要。而真正应该使用"快速系统调用指令"方式的，是那些本身运行时间很短，对时间精确性要求高的系统调用，例如 getuid、gettimeofday 等等。因此，采取灵活的手段，针对不同的系统调用采取不同的方式，才能得到最优化的性能和实现最完美的功能。      ----引自参考资料1

      

 

ps:文中的内核版本为2.6.36，glibc版本为2.11

参考资料:

1.  Linux 2.6 对新型 CPU 快速系统调用的支持: http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/kernel/l-k26ncpu/index.html  (这篇我觉得最好)

2. System Calls ： http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/lk/lk-4.html（里面有程序可以用来搜索vsyscall等的地址，很直接）

3. What is linux-gate.so.1 ： http://www.trilithium.com/johan/2005/08/linux-gate/

4. Intel手册，里面有各种资料，手册还是很重要的，也是最基本的