Linux內核分析--系統調用實現代碼分析

　　啟動早就讀完，現在為了寫筆記再從啟動之後粗略的大體讀一遍，基本就是幾個大模塊：啟動和初始化，中斷信號，進程及調度，內存管理，文件系統，網路，驅動和模塊等，我主要也從這幾塊入手。由於啟動部分在start_kernel之前牽涉到大量的x86體系相關的彙編知識，需要大量的時間，於是我跳過，先把握整個系統的大體脈絡，然後做二次，三次分析。網路部分的分析，我會從4.4BSD-Lite的代碼中分析。

　　系統調用：

　　先說一下系統調用，奇怪的很，所有的讀核資料都沒有把系統調用單獨提出來說，我覺得還是比較重要的。用戶和系統內核通信的關鍵的樞紐，不過分吧，呵呵。仔細研究一下它的機制，準備花三天時間，手頭有些書和資料，幫助我理解。

　　概念：（明晰一下基本概念）系統調用發生在用戶進程，通過一些特殊的函數（如open）來請求內核提供服務，這時，用戶進程掛起，內核驗證用戶請求，嘗試之行，並把結果反饋給用戶進程，接著用戶進程重新啟動。這些機制在一般的編程書里都有，我就是來通過源代碼的實現來討論這種機制。

　　具體實現代碼：arch/i386/kernel/entry.S（內核版本2.2.14）從entry.S的第171行，就是system_call開始，171-248行代碼貼出來，分析以註釋形式：ENTRY(system_call) \\所有系統調用的入口點，參數system_call是所希望激活的系統調用的數pushl ％eax# 保存orig_eax，這個值就是希望系統調用數SAVE_ALL。SAVE_ALL宏定義如下：

QUOTE:

#define SAVE_ALL cld; pushl ％es; pushl ％ds; pushl ％eax; pushl ％ebp; pushl ％edi; pushl ％esi; pushl ％edx; pushl ％ecx; pushl ％ebx; movl $(__KERNEL_DS),％edx; movl ％dx,％ds; movl ％dx,％es;

　　他的作用是先把所有寄存器的值壓棧，然後在system_call返回之前使用RESTORE_ALL把棧從棧中彈出，在這其中system_call可以根據需要子去使用寄存器的值。任何它調用的c函數都可以從棧中查找到所希望的參數，因為SAVE_ALL已經把所有寄存器的值都壓入棧中了 */GET_CURRENT(％ebx) /*利用GET_CURRENT宏從ebx中取得當前任務指針，GET_CURRENT宏定義如下：#define GET_CURRENT(reg) movl ％esp, reg; andl $-8192, reg;這段代碼應該很好理解，把esp指移到reg變數，減去8129得到當前任務地址。cmpl $(NR_syscalls),％eax /*察看保存在eax中的系統調用數是否超過最大數（常數NR_syscalls代表系統調用的最大數）如果確實超過了，請看下面一句:jae badsys，程序則跳轉到badsys。*/jae badsys testb $0x20,flags(％ebx)# PF_TRACESYS/*檢查系統調用是否正在被跟蹤*/jne tracesys /*如果系統調用被跟蹤，則程序跳轉到tracesys。*/call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,％eax,4)/*調用系統函數*/。/*SYMBOL_NAME宏不處理任何工作，只是簡單的被文本參數（也就是系統調用名）所替換，所以可以忽略sys_call_table也定義在entry.S（373行）中，是一張由指向實現各種系統調用的內核函數的函數指針組成的表：

QUOTE:

ENTRY(sys_call_table) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* 0 - old "setup()" system call*/ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_exit) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fork) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_read) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_write) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_open)/* 5 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_close) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_waitpid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_creat) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_link) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_unlink)/* 10 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_execve) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_chdir) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_time) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_mknod) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_chmod)/* 15 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_lchown) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old break syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_stat) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_lseek) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getpid)/* 20 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_mount) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_oldumount) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setuid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getuid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_stime)/* 25 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ptrace) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_alarm) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fstat) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_pause) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_utime)/* 30 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old stty syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old gtty syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_access) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_nice) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* 35 */ /* old ftime syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sync) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_kill) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rename) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_mkdir) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rmdir)/* 40 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_dup) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_pipe) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_times) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old prof syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_brk)/* 45 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setgid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getgid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_signal) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_geteuid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getegid)/* 50 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_acct) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_umount)/* recycled never used phys() */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old lock syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ioctl) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fcntl)/* 55 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old mpx syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setpgid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old ulimit syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_olduname) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_umask)/* 60 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_chroot) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ustat) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_dup2) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getppid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getpgrp)/* 65 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setsid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigaction) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sgetmask) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ssetmask) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setreuid)/* 70 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setregid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigsuspend) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigpending) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sethostname) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setrlimit)/* 75 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getrlimit) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getrusage) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_gettimeofday) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_settimeofday) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getgroups)/* 80 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setgroups) 　　.long SYMBOL_NAME(old_select) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_symlink) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_lstat) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_readlink)/* 85 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_uselib) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_swapon) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_reboot) 　　.long SYMBOL_NAME(old_readdir) 　　.long SYMBOL_NAME(old_mmap)/* 90 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_munmap) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_truncate) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ftruncate) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fchmod) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fchown)/* 95 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getpriority) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setpriority) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old profil syscall holder */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_statfs) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fstatfs)/* 100 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ioperm) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_socketcall) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_syslog) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setitimer) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getitimer)/* 105 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_newstat) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_newlstat) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_newfstat) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_uname) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_iopl)/* 110 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_vhangup) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_idle) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_vm86old) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_wait4) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_swapoff)/* 115 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sysinfo) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ipc) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fsync) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigreturn) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_clone)/* 120 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setdomainname) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_newuname) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_modify_ldt) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_adjtimex) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_mprotect)/* 125 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigprocmask) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_create_module) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_init_module) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_delete_module) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_get_kernel_syms)/* 130 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_quotactl) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getpgid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fchdir) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_bdflush) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sysfs)/* 135 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_personality) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* for afs_syscall */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setfsuid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setfsgid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_llseek)/* 140 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getdents) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_select) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_flock) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_msync) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_readv)/* 145 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_writev) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getsid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_fdatasync) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sysctl) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_mlock)/* 150 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_munlock) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_mlockall) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_munlockall) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_setparam) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_getparam) /* 155 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_setscheduler) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_getscheduler) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_yield) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_get_priority_max) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_get_priority_min) /* 160 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_rr_get_interval) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_nanosleep) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_mremap) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setresuid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getresuid)/* 165 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_vm86) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_query_module) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_poll) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_nfsservctl) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_setresgid)/* 170 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getresgid) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_prctl) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigreturn) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigaction) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigprocmask)/* 175 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigpending) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigtimedwait) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigqueueinfo) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigsuspend) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_pread)/* 180 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_pwrite) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_chown) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_getcwd) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_capget) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_capset) /* 185 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigaltstack) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile) 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* streams1 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* streams2 */ 　　.long SYMBOL_NAME(sys_vfork) /* 190 */

　　我們來繼續看本行的三個參數:(,％eax,4),實現數組索引。當然，這個數組是以sys_call_table作為索引的，稱為偏移。三個參數分別代表：數組的基地址，索引（eax,也就是系統調用數）和大小，或每個數組元素中的位元組數-----這裡是4。由於數組基地址為空，所以賦予0---但它需要和偏移地址sys_call_table相加，簡單的說是sys_call_table被當作數組的基地址。我把本行用c重寫如下：

QUOTE:

(sys_call_table)[EAX]();

　　當然，c還要處理許多工作，如為你紀錄數組元素的大小。不要忘記，系統調用的參數早已經存儲在堆棧中了，以便於system_call使用SAVE_ALL把他們壓棧movl ％eax,EAX(％esp)# 系統調用返回/*它在EAX寄存器中的返回值（這個值同時也是system_call的返回值）被存儲了起來。返回值被存儲在堆棧中的EAX內，以使得RESTORE_ALL可以迅速地恢復實際的EAX寄存器及其他寄存器的值。*/

　　以下代碼依然是system_call的一部分，是一個可以命名為ret_from_sys_call和ret_from_intr的獨立入口點。它們偶爾會被c直接調用，也可以從system_call的其他部分跳轉過來。

QUOTE:

ALIGN 　　.globl ret_from_sys_call 　　.globl ret_from_intr 　　ret_from_sys_call: 　　movl SYMBOL_NAME(bh_mask),％eax 　　andl SYMBOL_NAME(bh_active),％eax 　　jne handle_bottom_half

　　檢測bottom half是否激活，如果激活，程序就跳轉到handle_bottom_half執行，bottom half是中斷進程的一部分，以後再提及，中斷進程我的概念也很模糊。

QUOTE:

ret_with_reschedule: 　　cmpl $0,need_resched(％ebx)/*檢查進程是否為再次調度做了標記*/ 　　jne reschedule/*如果是，就跳轉到reschedule*/ 　　cmpl $0,sigpending(％ebx)/*檢查是否還有掛起信號*/ 　　jne signal_return/*如果有，則程序跳轉到signal_return*/ 　　restore_all: 　　RESTORE_ALL/*system_call的退出點，參看前面SAVE_ALL的用法*/

　　ALIGN

　　signal_return:/*當system_call從系統調用返回前，如果它檢測到需要將信號傳送給當前的進程時，才會執行到signal_return。它通過使中斷再次可用開始執行。*/

　　sti# we can get here from an interrupt handler testl $(VM_MASK),EFLAGS(％esp)/*檢測是否返回虛擬8086模式*/movl ％esp,％eax jne v86_signal_return/*如果是，就跳轉到v86_signal_return（由於虛擬8086我也不太理解，所以就跳過了，：（*/xorl ％edx,％edx /*system_call需要調用c函數do_signal來釋放信號。do_signal需要兩個參數，這兩個參數都是通過寄存器來傳遞的；第一個是EAX寄存器，另一個是edx寄存器。system_call已經把第一個參數的值賦給了eax；現在，把edx寄存器和寄存器本身進行xor操作，從而將其清0，這樣do_signal就認為這是一個空指針。*/call SYMBOL_NAME(do_signal) /*好，現在就可以調用do_signal來傳遞信號了*/jmp restore_all /*然後跳轉到restore_all結束。

QUOTE:

ALIGN 　　v86_signal_return: 　　call SYMBOL_NAME(save_v86_state) 　　movl ％eax,％esp 　　xorl ％edx,％edx 　　call SYMBOL_NAME(do_signal) 　　jmp restore_all

　　tracesys: 前面說過，當有當前進程的系統調用被其祖先跟蹤，如strace或truss程序，程序就跳轉到此。

QUOTE:

movl $-ENOSYS,EAX(％esp) /*system_call把存儲在堆棧中的EAX拷貝賦予-ENOSYS。*/ 　　call SYMBOL_NAME(syscall_trace) /*調用syscall_trace*/ 　　movl ORIG_EAX(％esp),％eax /*在172行再從所作的拷貝中恢復EAX的值*/ 　　call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,％eax,4) /*調用實際的系統調用。*/ 　　movl ％eax,EAX(％esp)/*把系統調用的返回值置入堆棧中EAX的位置。*/ 　　call SYMBOL_NAME(syscall_trace) /*再次調用syscall_trace*/ 　　jmp ret_from_sys_call /*被跟蹤的系統調用已經返回，控制流程跳轉到ret_from_sys_call*/ 　　badsys: /*前面說過，當系統調用數超過邊界值時程序就跳轉到這裡。*/ 　　movl $-ENOSYS,EAX(％esp) /*這時system_call必須返回-ENOSYS，82行把ENOSYS賦值為38。調用 　　 者會識別這個錯誤*/ 　　jmp ret_from_sys_call /*跳轉到ret_from_sys_call*/

　　ret_from_exception:在諸如除0之類的cpu異常中斷情況下將執行到這裡；system_call內部代碼不會執行到這個標號：

QUOTE:

movl SYMBOL_NAME(bh_mask),％eax 　　andl SYMBOL_NAME(bh_active),％eax 　　jne handle_bottom_half 　　ALIGN 　　ret_from_intr: 　　GET_CURRENT(％ebx) 　　movl EFLAGS(％esp),％eax# mix EFLAGS and CS 　　movb CS(％esp),％al 　　testl $(VM_MASK | 3),％eax# return to VM86 mode or non-supervisor? 　　jne ret_with_reschedule 　　jmp restore_all 　　 　　ALIGN 　　handle_bottom_half: 　　call SYMBOL_NAME(do_bottom_half) 　　jmp ret_from_intr 　　 　　ALIGN 　　reschedule: 　　call SYMBOL_NAME(schedule) # test 　　jmp ret_from_sys_call

　　這以上的代碼，我都還不太怎麼明白，等我弄明白了就補齊，但基本的system_call的內部核心代碼都介紹完了。

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