一、Syscall意義

內(nèi)核提供用戶空間程序與內(nèi)核空間進行交互的一套標準接口，這些接口讓用戶態(tài)程序能受限訪問硬件設(shè)備，比如申請系統(tǒng)資源，操作設(shè)備讀寫，創(chuàng)建新進程等。用戶空間發(fā)生請求，內(nèi)核空間負責(zé)執(zhí)行，這些接口便是用戶空間和內(nèi)核空間共同識別的橋梁，這里提到兩個字“受限”，是由于為了保證內(nèi)核穩(wěn)定性，而不能讓用戶空間程序隨意更改系統(tǒng)，必須是內(nèi)核對外開放的且滿足權(quán)限的程序才能調(diào)用相應(yīng)接口。

在用戶空間和內(nèi)核空間之間，有一個叫做Syscall(系統(tǒng)調(diào)用, system call)的中間層，是連接用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的橋梁。這樣即提高了內(nèi)核的安全型，也便于移植，只需實現(xiàn)同一套接口即可。Linux系統(tǒng)，用戶空間通過向內(nèi)核空間發(fā)出Syscall，產(chǎn)生軟中斷，從而讓程序陷入內(nèi)核態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。對于每個系統(tǒng)調(diào)用都會有一個對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用號，比很多操作系統(tǒng)要少很多。

安全性與穩(wěn)定性：內(nèi)核駐留在受保護的地址空間，用戶空間程序無法直接執(zhí)行內(nèi)核代碼，也無法訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)調(diào)用

性能：Linux上下文切換時間很短，以及系統(tǒng)調(diào)用處理過程非常精簡，內(nèi)核優(yōu)化得好，所以性能上往往比很多其他操作系統(tǒng)執(zhí)行要好。

二、Syscall查找方式

這里以文章理解殺進程的實現(xiàn)原理中的kill()方法為例子，來找一找kill()方法系統(tǒng)調(diào)用的過程。

Tips 1：?用戶空間的方法xxx，對應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用層方法則是sys_xxx；?
Tips 2：?unistd.h文件記錄著系統(tǒng)調(diào)用中斷號的信息。

故用戶空間kill方法則對應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用層便是sys_kill，這個方法去哪里找呢？從/kernel/include/uapi/asm-generic/unistd.h等還有很多unistd.h去慢慢查看，查看關(guān)鍵字sys_kill，便能看到下面幾行：

/* kernel/signal.c */

__SYSCALL(__NR_kill, sys_kill)

根據(jù)這個能得到一絲線索，那就是kill對應(yīng)的方法sys_kill位于/kernel/signal.c文件。

Tips 3：?宏定義SYSCALL_DEFINEx(xxx,…)，展開后對應(yīng)的方法則是sys_xxx；?
Tips 4：?方法參數(shù)的個數(shù)x，對應(yīng)于SYSCALL_DEFINEx。

kill(int pid, int sig)方法共兩個參數(shù)，則對應(yīng)方法于SYSCALL_DEFINE2(kill,...)，進入signal.c文件，再次搜索關(guān)鍵字，便能看到方法：

SYSCALL_DEFINE2(kill, pid_t, pid,?int, sig)

{

struct siginfo info;

info.si_signo = sig;

info.si_errno =?0;

info.si_code = SI_USER;

info.si_pid = task_tgid_vnr(current);

info.si_uid = from_kuid_munged(current_user_ns(), current_uid());

return kill_something_info(sig, &info, pid);

}

SYSCALL_DEFINE2(kill, pid_t, pid, int, sig)?基本等價于?asmlinkage long sys_kill(int pid, int sig)，這里用的是基本等價，往下看會解釋原因。

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實用技巧

比如kill命令, 有兩個參數(shù). 則可以直接在kernel目錄下搜索 “SYSCALL_DEFINE2(kill”,即可直接找到,所有對應(yīng)的Syscall方法位于signal.c

三、Syscall流程

Syscall是通過中斷方式實現(xiàn)的，ARM平臺上通過swi中斷來實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，發(fā)送軟中斷swi時，從中斷向量表中查看跳轉(zhuǎn)代碼，其中異常向量表定義在文件/kernelarch/arm/kernel/entry-armv.S(匯編語言文件)。當執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時會根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用號從系統(tǒng)調(diào)用表中來查看目標函數(shù)的入口地址，在calls.S文件中聲明了入口地址信息。

總體流程：kill() -> kill.S -> swi陷入內(nèi)核態(tài) -> 從sys_call_table查看到sys_kill -> ret_fast_syscall -> 回到用戶態(tài)執(zhí)行kill()下一行代碼。 下面介紹部分核心流程：

3.1：?用戶程序通過軟中斷swi指令切入內(nèi)核態(tài)，執(zhí)行vector_swi處的指令。vector_swi在文件/kenel/arch/arm/kernel/entry-common.S中定義，此處省略。像每一個異常處理程序一樣，要做的第一件事當然就是保護現(xiàn)場了。緊接著是獲得系統(tǒng)調(diào)用的系統(tǒng)調(diào)用號

3.2：?仍以kill()函數(shù)為例，來詳細說說Syscall調(diào)用流程，用戶空間kill()定義位于文件kill.S。

#include

ENTRY(kill)

mov ip, r7

ldr r7, =__NR_kill

swi?#0

mov r7, ip

cmn r0,?#(MAX_ERRNO + 1)

bxls lr

neg r0, r0

b __set_errno_internal

END(kill)

當調(diào)用kill時, 系統(tǒng)先保存r7內(nèi)容, 然后將__NR_kill值放入r7, 再執(zhí)行swi軟中斷指令切換進內(nèi)核態(tài)。

3.3：?Linux內(nèi)核中，每個Syscall都有唯一的系統(tǒng)調(diào)用號對應(yīng)，kill的系統(tǒng)調(diào)用號為__NR_kill，用戶空間的系統(tǒng)調(diào)用號定義于/bionic/libc/kernel/uapi/asm-generic/unistd.h，如下：

#define __NR_kill (__NR_SYSCALL_BASE + 37)

其中__NR_SYSCALL_BASE=0，也就是__NR_kill系統(tǒng)調(diào)用號=37。

3.4：?在內(nèi)核中有與系統(tǒng)調(diào)用號對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用表，定義在文件/kernel/arch/arm/kernel/calls.S，如下：

/* 35 */?CALL(sys_ni_syscall)?/* was sys_ftime */

CALL(sys_sync)

CALL(sys_kill)?//此處為37號

CALL(sys_rename)

CALL(sys_mkdir)

到這里可知37號系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)sys_kill()，該方法所對應(yīng)的函數(shù)聲明在syscalls.h文件

3.5：?文件/kernel/include/linux/syscalls.h中有如下聲明：

asmlinkage?long?sys_kill(int pid,?int sig);

asmlinkage是gcc標簽，代表函數(shù)讀取的參數(shù)來自于棧中，而非寄存器。

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3.1 SYSCALL_DEFINE

sys_kill()定義在內(nèi)核源碼找不到直接定義，而是通過syscalls.h文件中的SYSCALL_DEFINE宏定義。前面已經(jīng)講過sys_kill是通過語句SYSCALL_DEFINE2(kill, pid_t, pid, int, sig)來定義，下面來一層層剖開，這條宏定義的真面目：

等價 1：

syscalls.h中有大量如下宏定義：

#define SYSCALL_DEFINE0(sname)

SYSCALL_METADATA(_##sname, 0);

asmlinkage?long sys_##sname(void)

#define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)

#define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)

可得出原語句等價：

SYSCALL_DEFINEx(2, _kill, pid_t, pid,?int, sig)

等價 2：

syscalls.h中有如下宏定義：

#define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)

SYSCALL_METADATA(sname, x, __VA_ARGS__)

__SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)

可得出原語句等價：

SYSCALL_METADATA(_kill,?2, pid_t, pid,?int, sig)

__SYSCALL_DEFINEx(2, _kill, pid_t, pid,?int, sig)

define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, …)

等價 3：

syscalls.h中有如下宏定義：

#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...)

asmlinkage?long sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__))

__attribute__((alias(__stringify(SyS##name))));

static?inline?long SYSC##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__));

asmlinkage?long SyS##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__));

asmlinkage?long SyS##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__))

{

long ret = SYSC##name(__MAP(x,__SC_CAST,__VA_ARGS__));

__MAP(x,__SC_TEST,__VA_ARGS__);

__PROTECT(x, ret,__MAP(x,__SC_ARGS,__VA_ARGS__));

return ret;

}

static?inline?long SYSC##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__))

可得出原語句等價：

asmlinkage?long?sys_kill(__MAP(2,__SC_DECL,__VA_ARGS__))

__attribute__((alias(__stringify(SyS_kill))));

static inline?long?SYSC_kill(__MAP(2,__SC_DECL,__VA_ARGS__));

asmlinkage?long?SyS_kill(__MAP(2,__SC_LONG,__VA_ARGS__));

asmlinkage?long?SyS_kill(__MAP(2,__SC_LONG,__VA_ARGS__))

{

long ret = SYSC_kill(__MAP(2,__SC_CAST,__VA_ARGS__));

__MAP(2,__SC_TEST,__VA_ARGS__);

__PROTECT(2, ret,__MAP(2,__SC_ARGS,__VA_ARGS__));

return ret;

}

static inline?long?SYSC_kill(__MAP(2,__SC_DECL,__VA_ARGS__))

這里__VA_ARGS__等于?pid_t, pid, int, sig。

等價 4:

先說說這里涉及的宏定義

__MAP宏定義：

#define __MAP0(m,...)

#define __MAP1(m,t,a) m(t,a)

#define __MAP2(m,t,a,...) m(t,a), __MAP1(m,__VA_ARGS__)

#define __MAP3(m,t,a,...) m(t,a), __MAP2(m,__VA_ARGS__)

#define __MAP4(m,t,a,...) m(t,a), __MAP3(m,__VA_ARGS__)

#define __MAP5(m,t,a,...) m(t,a), __MAP4(m,__VA_ARGS__)

#define __MAP6(m,t,a,...) m(t,a), __MAP5(m,__VA_ARGS__)

#define __MAP(n,...) __MAP##n(__VA_ARGS__)

相關(guān)宏定義：

#define __SC_DECL(t, a) t a

#define __SC_LONG(t, a) __typeof(__builtin_choose_expr(__TYPE_IS_LL(t), 0LL, 0L)) a

#define __SC_CAST(t, a) (t) a

#define __SC_ARGS(t, a) a

#define __SC_TEST(t, a) (void)BUILD_BUG_ON_ZERO(!__TYPE_IS_LL(t) && sizeof(t) > sizeof(long))

展開：

__MAP(2,__SC_DECL, pid_t, pid,?int, sig)?//等價于 pid_t pid, int sig

__MAP(2,__SC_LONG,__VA_ARGS__)?//等價于 long pid, long sig

__MAP(2,__SC_CAST,__VA_ARGS__)?//等價于 (pid_t) pid, (int)sig

__MAP(2,__SC_ARGS,__VA_ARGS__)?//等價于 pid, sig

可得出原語句等價：

//函數(shù)聲明sys_kill()，并別名指向SyS_kill

asmlinkage?long sys_kill(pid_t pid,?int sig) __attribute__((alias(__stringify(SyS_kill))));

static?inline?long SYSC_kill(pid_t pid,?int sig);

//函數(shù)聲明SyS_kill()

asmlinkage?long SyS_kill(long pid,?long sig);

asmlinkage?long SyS_kill(long pid,?long sig)

{

long ret = SYSC_kill((pid_t) pid, (int)sig);

BUILD_BUG_ON_ZERO(sizeof(pid_t) >?sizeof(long));

BUILD_BUG_ON_ZERO(sizeof(int) >?sizeof(long));

__PROTECT(2, ret, pid, sig);

return ret;

}

static?inline?long SYSC_kill(pid_t pid,?int sig)

通過以上分析過程：

kill添加了sys_前綴，聲明sys_kill()函數(shù)；

定義SYSC_kill()函數(shù)和SyS_kill()函數(shù)；

sys_kill，通過別名機制等同于SyS_kill().

看到這或許很多人(包括我)會覺得詫異，為何要如此復(fù)雜呢，后來查資料，發(fā)現(xiàn)這是由于之前64位Linux存在CVE-2009-2009的漏洞，簡單說就是32位參數(shù)存放在64位寄存器，修改符號擴展可能導(dǎo)致產(chǎn)生一個非法內(nèi)存地址，從而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰或者提升權(quán)限。 為了修復(fù)這個問題，把寄存器高位清零即可，但做起來比較困難，為了做盡可能少的修改，將調(diào)用參數(shù)統(tǒng)一采用使用long型來接收，再強轉(zhuǎn)為相應(yīng)參數(shù)。?窺見一斑，可見Linux大師們精湛的宏定義，已經(jīng)用得出神入化。

如果覺得很復(fù)雜，那么可以忽略這個宏定義，只要記住SYSCALL_DEFINE2(kill, pid_t, pid, int, sig)?基本等價于?asmlinkage long sys_kill(int pid, int sig)?就足夠了。

四、總結(jié)

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4.1 內(nèi)核空間

系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)原型的指針：位于文件/kernel/arch/arm/kernel/calls.S，格式為CALL(sys_xxx)，指定了目標函數(shù)的入口地址。

系統(tǒng)調(diào)用號的宏定義：位于文件/kernel/arch/arm/include/Uapi/asm/unistd.h，記錄著內(nèi)核空間的系統(tǒng)調(diào)用號，格式為#define__NR_xxx (__NR_SYSCALL_BASE+[num])

系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)聲明：位于文件/kernel/include/linux/syscalls.h，格式為asmlinkage long sys_xxx(args ...);

系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)實現(xiàn)：不同函數(shù)位于不同文件，比如kill()位于/kernel/kernel/signal.c文件，格式為SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)

前面這4步都是在內(nèi)核空間相關(guān)的文件定義，有了這些，那么內(nèi)核就可以使用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用號。

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4.2 用戶空間

系統(tǒng)調(diào)用號的宏定義：位于文件/bionic/libc/kernel/uapi/asm-arm/asm/unistd.h，記錄著用戶空間的系統(tǒng)調(diào)用號，格式為#define__NR_xxx (__NR_SYSCALL_BASE+[num])。這個文件就是由內(nèi)核空間同名的頭文件自動生成的，所以該文件與內(nèi)核空間的系統(tǒng)調(diào)用號是完全一致。

匯編定義相關(guān)函數(shù)的中斷調(diào)用過程：位于文件/bionic/libc/arch-arm/syscalls/xxx.S，比如kill()位于kill.S，格式為：

ENTRY(xxx)

mov ip, r7

ldr r7, =__NR_xxx

swi?#0

mov r7, ip

cmn r0,?#(MAX_ERRNO + 1)

bxls lr

neg r0, r0

b __set_errno_internal

END(xxx)

當然kill()方法還有函數(shù)聲明，有了這些，用戶空間也能在程序中使用系統(tǒng)調(diào)用。明白了這些過程，那么自己新添加系統(tǒng)調(diào)用其實也并不是多困難的一件事，新增系統(tǒng)調(diào)用號還需要修改syscalls總個數(shù)，但強烈不建議自己新增系統(tǒng)調(diào)用號，盡量保持與linux kernel主線一致，兼容性更好，所以就不進一步介紹新增流程了。

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