内核技术 - linux内核分析---系统调用实现代码分析

linux内核分析---系统调用实现代码分析
2004-04-23 15:18 pm

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2001年6月5日
启动早就读完，现在为了写笔记再从启动之后粗略的大体读一遍，基本就是几个大模块：启动和初始化，
中断信号，进程及调度，内存管理，文件系统，网络，驱动和模块等，我主要也从这几块入手。由于启动
部分在start_kernel之前牵涉到大量的x86体系相关的汇编知识，需要大量的时间，于是我跳过，先把握
整个系统的大体脉络，然后做二次，三次分析。网络部分的分析，我会从4.4BSD-Lite的代码中分析。

系统调用：

先说一下系统调用，奇怪的很，所有的读核资料都没有把系统调用单独提出来说，我觉得还是比较重要的
。用户和系统内核通信的关键的枢纽，不过分吧，呵呵。仔细研究一下它的机制，准备花三天时间，手头
有些书和资料，帮助我理解。

概念：（明晰一下基本概念）
系统调用发生在用户进程，通过一些特殊的函数（如open）来请求内核提供服务，这时，用户进程挂起，
内核验证用户请求，尝试之行，并把结果反馈给用户进程，接着用户进程重新启动。这些机制在一般的编
程书里都有，我就是来通过源代码的实现来讨论这种机制。

具体实现代码：arch/i386/kernel/entry.S（内核版本2.2.14）
从entry.S的第171行，就是system_call开始，171-248行代码贴出来，分析以注释形式：

ENTRY(system_call) \所有系统调用的入口点，参数system_call是所希望激活的系统调用的数
pushl %eax# 保存orig_eax，这个值就是希望系统调用数
SAVE_ALL
/*SAVE_ALL宏定义如下：
#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压栈，然后在system_call返回之前使用RESTORE_ALL把栈从栈中弹出
，在这其中system_call可以根据需要子去使用寄存器的值。任何它调用的c函数都可以从栈中查找到所希
望的参数，因为SAVE_ALL已经把所有寄存器的值都压入栈中了 */
--------------------------------------------------------------------------------------------
GET_CURRENT(%ebx) /*利用GET_CURRENT宏从ebx中取得当前任务指针，GET_CURRENT宏定义
如下：
#define GET_CURRENT(reg)
movl %esp, reg;
andl $-8192, reg;这段代码应该很好理解，把esp指移到reg变量，减去8129得到当前任务地址
*/
--------------------------------------------------------------------------------------------
cmpl $(NR_syscalls),%eax /*察看保存在eax中的系统调用数是否超过最大数（常数NR_syscalls代表系统调用的最大数）如果确实超过了，请看下面一句:jae badsys，程序则跳转到badsys
。*/
jae badsys
testb $0x20,flags(%ebx)# PF_TRACESYS/*检查系统调用是否正在被跟踪*/
jne tracesys /*如果系统调用被跟踪，则程序跳转到tracesys*/
call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4)/*调用系统函数*/
/*SYMBOL_NAME宏不处理任何工作，只是简单的被文本参数（也就是系统调用名）所替换，所以可以忽略
sys_call_table也定义在entry.S（373行）中，是一张由指向实现各种系统调用的内核函数的函数指针组
成的表：
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 */
我们来继续看本行的三个参数:(,%eax,4),实现数组索引。当然，这个数组是以sys_call_table作为索
引的，称为偏移。三个参数分别代表：数组的基地址，索引（eax,也就是系统调用数）和大小，或每个数
组元素中的字节数-----这里是4。由于数组基地址为空，所以赋予0---但它需要和偏移地址sys_call_table相加，简单的说是sys_call_table被当作数组的基地址。我把本行用c重写如下：
(sys_call_table)[EAX]();
当然，c还要处理许多工作，如为你纪录数组元素的大小。不要忘记，系统调用的参数早已经存储在堆栈
中了，以便于system_call使用SAVE_ALL把他们压栈。
--------------------------------------------------------------------------------------------
movl %eax,EAX(%esp)# 系统调用返回
/*它在EAX寄存器中的返回值（这个值同时也是system_call的返回值）被存储了起来。返回值被存储在堆
栈中的EAX内，以使得RESTORE_ALL可以迅速地恢复实际的EAX寄存器及其他寄存器的值。*/

6月6日：
以下代码依然是system_call的一部分，是一个可以命名为ret_from_sys_call和ret_from_intr的独立
入口点。它们偶尔会被c直接调用，也可以从system_call的其他部分跳转过来。
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
/*检测bottom half是否激活，如果激活，程序就跳转到handle_bottom_half执行，bottom half是中断进
程的一部分，以后再提及，中断进程我的概念也很模糊。*/
ret_with_reschedule:
cmpl $0,need_resched(%ebx)/*检查进程是否为再次调度做了标记*/
jne reschedule/*如果是，就跳转到reschedule*/
cmpl $0,sigpending(%ebx)/*检查是否还有挂起信号*/
jne signal_return/*如果有，则程序跳转到signal_return*/
restore_all:
RESTORE_ALL/*system_call的退出点，参看前面SAVE_ALL的用法*/

ALIGN
signal_return:/*当system_call从系统调用返回前，如果它检测到需要将信号传送给当前的进程时，才
会执行到signal_return。它通过使中断再次可用开始执行。*/
sti# we can get here from an interrupt handler
testl $(VM_MASK),EFLAGS(%esp)/*检测是否返回虚拟8086模式*/
movl %esp,%eax
jne v86_signal_return/*如果是，就跳转到v86_signal_return（由于虚拟8086我也不太理解，
所以就跳过了，：（*/
xorl %edx,%edx /*system_call需要调用c函数do_signal来释放信号。do_signal需要两个参数
，这两个参数都是通过寄存器来传递的；第一个是EAX寄存器，另一个是edx寄存器。system_call已经把
第一个参数的值赋给了eax；现在，把edx寄存器和寄存器本身进行xor操作，从而将其清0，这样do_signal就认为这是一个空指针。*/
call SYMBOL_NAME(do_signal) /*好，现在就可以调用do_signal来传递信号了*/
jmp restore_all /*然后跳转到restore_all结束*/

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

ALIGN
tracesys: /*前面说过，当有当前进程的系统调用被其祖先跟踪，如strace或truss程序，程序就跳转到
此。*/
movl $-ENOSYS,EAX(%esp) /*system_call把存储在堆栈中的EAX拷贝赋予-ENOSYS。*/
call SYMBOL_NAME(syscall_trace) /*调用syscall_trace*/
movl ORIG_EAX(%esp),%eax /*在172行再从所作的拷贝中恢复EAX的值*/
call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4) /*调用实际的系统调用。*/
movl %eax,EAX(%esp)/*把系统调用的返回值置入堆栈中EAX的位置。*/
call SYMBOL_NAME(syscall_trace) /*再次调用syscall_trace*/
jmp ret_from_sys_call /*被跟踪的系统调用已经返回，控制流程跳转到ret_from_sys_call*/
badsys: /*前面说过，当系统调用数超过边界值时程序就跳转到这里。*/
movl $-ENOSYS,EAX(%esp) /*这时system_call必须返回-ENOSYS，82行把ENOSYS赋值为38。调用
者会识别这个错误*/
jmp ret_from_sys_call /*跳转到ret_from_sys_call*/

ALIGN
ret_from_exception:/*在诸如除0之类的cpu异常中断情况下将执行到这里；system_call内部代码不会执
行到这个标号*/
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
这以上的代码，我都还不太怎么明白，等我弄明白了就补齐，但基本的system_call的内部核心代码都介
绍完了。