Linux 下系統(tǒng)調(diào)用的三種方法

系統(tǒng)調(diào)用（System Call）是操作系統(tǒng)為在用戶態(tài)運行的進(jìn)程與硬件設(shè)備（如CPU、磁盤、打印機(jī)等）進(jìn)行交互提供的一組接口。當(dāng)用戶進(jìn)程需要發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時，CPU 通過軟中斷切換到內(nèi)核態(tài)開始執(zhí)行內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。下面介紹Linux 下三種發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用的方法：

通過 glibc 提供的庫函數(shù)

glibc 是 Linux 下使用的開源的標(biāo)準(zhǔn) C 庫，它是 GNU 發(fā)布的 libc 庫，即運行時庫。glibc 為程序員提供豐富的 API（Application Programming Interface），除了例如字符串處理、數(shù)學(xué)運算等用戶態(tài)服務(wù)之外，最重要的是封裝了操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)服務(wù)，即系統(tǒng)調(diào)用的封裝。那么glibc提供的系統(tǒng)調(diào)用API與內(nèi)核特定的系統(tǒng)調(diào)用之間的關(guān)系是什么呢？

通常情況，每個特定的系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)了至少一個 glibc 封裝的庫函數(shù)，如系統(tǒng)提供的打開文件系統(tǒng)調(diào)用sys_open對應(yīng)的是 glibc 中的open函數(shù)；
其次，glibc 一個單獨的 API 可能調(diào)用多個系統(tǒng)調(diào)用，如 glibc 提供的printf函數(shù)就會調(diào)用如sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close等等系統(tǒng)調(diào)用；
另外，多個 API 也可能只對應(yīng)同一個系統(tǒng)調(diào)用，如glibc 下實現(xiàn)的malloc、calloc、free等函數(shù)用來分配和釋放內(nèi)存，都利用了內(nèi)核的sys_brk的系統(tǒng)調(diào)用。

舉例來說，我們通過 glibc 提供的chmod函數(shù)來改變文件etc/passwd的屬性為 444：

#include #include #include #include int main(){ int rc; rc = chmod("/etc/passwd", 0444); if (rc == -1) fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno); else printf("chmod success!\n"); return 0;}

#include

int main()

{

????????int rc;

????????rc = chmod("/etc/passwd", 0444);

????????if (rc == -1)

????????????????fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);

????????else

????????????????printf("chmod success!\n");

????????return 0;

}

在普通用戶下編譯運用，輸出結(jié)果為：

chmod failed, errno = 1

上面系統(tǒng)調(diào)用返回的值為-1，說明系統(tǒng)調(diào)用失敗，錯誤碼為1，在/usr/include/asm-generic/errno-base.h文件中有如下錯誤代碼說明：

#define EPERM 1 /* Operation not permitted */

#define EPERM?????? 1????????????????/* Operation not permitted */

即無權(quán)限進(jìn)行該操作，我們以普通用戶權(quán)限是無法修改 /etc/passwd 文件的屬性的，結(jié)果正確。

使用 syscall 直接調(diào)用

使用上面的方法有很多好處，首先你無須知道更多的細(xì)節(jié)，如 chmod 系統(tǒng)調(diào)用號，你只需了解 glibc 提供的 API 的原型；其次，該方法具有更好的移植性，你可以很輕松將該程序移植到其他平臺，或者將 glibc 庫換成其它庫，程序只需做少量改動。
但有點不足是，如果 glibc 沒有封裝某個內(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用時，我就沒辦法通過上面的方法來調(diào)用該系統(tǒng)調(diào)用。如我自己通過編譯內(nèi)核增加了一個系統(tǒng)調(diào)用，這時 glibc 不可能有你新增系統(tǒng)調(diào)用的封裝 API，此時我們可以利用 glibc 提供的syscall函數(shù)直接調(diào)用。該函數(shù)定義在unistd.h頭文件中，函數(shù)原型如下：

long int syscall (long int sysno, ...)

sysno是系統(tǒng)調(diào)用號，每個系統(tǒng)調(diào)用都有唯一的系統(tǒng)調(diào)用號來標(biāo)識。在sys/syscall.h中有所有可能的系統(tǒng)調(diào)用號的宏定義。
…為剩余可變長的參數(shù)，為系統(tǒng)調(diào)用所帶的參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用的不同，可帶0~5個不等的參數(shù)，如果超過特定系統(tǒng)調(diào)用能帶的參數(shù)，多余的參數(shù)被忽略。
返回值該函數(shù)返回值為特定系統(tǒng)調(diào)用的返回值，在系統(tǒng)調(diào)用成功之后你可以將該返回值轉(zhuǎn)化為特定的類型，如果系統(tǒng)調(diào)用失敗則返回 -1，錯誤代碼存放在errno中。

還以上面修改 /etc/passwd 文件的屬性為例，這次使用 syscall 直接調(diào)用：

#include #include #include #include int main(){ int rc; rc = syscall(SYS_chmod, "/etc/passwd", 0444); if (rc == -1) fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno); else printf("chmod succeess!\n"); return 0;}

#include

int main()

{

????????int rc;

????????rc = syscall(SYS_chmod, "/etc/passwd", 0444);

????????if (rc == -1)

????????????????fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);

????????else

????????????????printf("chmod succeess!\n");

????????return 0;

}

在普通用戶下編譯執(zhí)行，輸出的結(jié)果與上例相同。

通過 int 指令陷入

如果我們知道系統(tǒng)調(diào)用的整個過程的話，應(yīng)該就能知道用戶態(tài)程序通過軟中斷指令int 0x80來陷入內(nèi)核態(tài)（在Intel Pentium II 又引入了sysenter指令），參數(shù)的傳遞是通過寄存器，eax 傳遞的是系統(tǒng)調(diào)用號，ebx、ecx、edx、esi和edi 來依次傳遞最多五個參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用返回時，返回值存放在 eax 中。

仍然以上面的修改文件屬性為例，將調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用那段寫成內(nèi)聯(lián)匯編代碼：

#include #include #include #include int main(){ long rc; char *file_name = "/etc/passwd"; unsigned short mode = 0444; asm( "int $0x80" : "=a" (rc) : "0" (SYS_chmod), "b" ((long)file_name), "c" ((long)mode) ); if ((unsigned long)rc >= (unsigned long)-132) { errno = -rc; rc = -1; } if (rc == -1) fprintf(stderr, "chmode failed, errno = %d\n", errno); else printf("success!\n"); return 0;}

#include

int main()

{

????????long rc;

????????char *file_name = "/etc/passwd";

????????unsigned short mode = 0444;

????????asm(

????????????????"int $0x80"

????????????????: "=a" (rc)

????????????????: "0" (SYS_chmod), "b" ((long)file_name), "c" ((long)mode)

????????);

????????if ((unsigned long)rc >= (unsigned long)-132) {

????????????????errno = -rc;

????????????????rc = -1;

????????}

????????if (rc == -1)

????????????????fprintf(stderr, "chmode failed, errno = %d\n", errno);

????????else

????????????????printf("success!\n");

????????return 0;

}

如果 eax 寄存器存放的返回值（存放在變量 rc 中）在 -1~-132 之間，就必須要解釋為出錯碼（在/usr/include/asm-generic/errno.h文件中定義的最大出錯碼為 132），這時，將錯誤碼寫入 errno 中，置系統(tǒng)調(diào)用返回值為 -1；否則返回的是 eax 中的值。

上面程序在 32位Linux下以普通用戶權(quán)限編譯運行結(jié)果與前面兩個相同！

參考資料

Understanding The Linux Kernel, the 3rd edtion
The GNU C Library Reference Manual, for version 2.18

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