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如何在Linux中添加新的系统调用

系统调用是应用程序和操作系统内核之间的功能接口。其主要目的是使得用户
可以使用操作系统提供的有关设备管理、输入/输入系统、文件系统和进程控制、
通信以及存储管理等方面的功能,而不必了解系统程序的内部结构和有关硬件细
节,从而起到减轻用户负担和保护系统以及提高资源利用率的作用。

  Linux操作系统作为自由软件的代表,它优良的性能使得它的应用日益广泛,
不仅得到专业人士的肯定,而且商业化的应用也是如火如荼。在Linux中,大部分
的系统调用包含在Linux的libc库中,通过标准的C函数调用方法可以调用这些系统
调用。那么,对Linux的发烧友来说,如何在Linux中增加新的系统调用呢?

1 Linux系统调用机制

  在Linux系统中,系统调用是作为一种异常类型实现的。它将执行相应的机器
代码指令来产生异常信号。产生中断或异常的重要效果是系统自动将用户态切换为
核心态来对它进行处理。这就是说,执行系统调用异常指令时,自动地将系统切换
为核心态,并安排异常处理程序的执行。

  Linux用来实现系统调用异常的实际指令是:

  Int $0x80

  这一指令使用中断/异常向量号128(即16进制的80)将控制权转移给内核。为
达到在使用系统调用时不必用机器指令编程,在标准的C语言库中为每一系统调用
提供了一段短的子程序,完成机器代码的编程工作。事实上,机器代码段非常简
短。它所要做的工作只是将送给系统调用的参数加载到CPU寄存器中,接着执行
int $0x80指令。然后运行系统调用,系统调用的返回值将送入CPU的一个寄存器
中,标准的库子程序取得这一返回值,并将它送回用户程序。

  为使系统调用的执行成为一项简单的任务,Linux提供了一组预处理宏指令。
它们可以用在程序中。这些宏指令取一定的参数,然后扩展为调用指定的系统调用
的函数。

  这些宏指令具有类似下面的名称格式:

  _syscallN(parameters)

  其中N是系统调用所需的参数数目,而parameters则用一组参数代替。这些参
数使宏指令完成适合于特定的系统调用的扩展。例如,为了建立调用setuid()系
统调用的函数,应该使用:

  _syscall1( int, setuid, uid_t, uid )

  syscallN( )宏指令的第1个参数int说明产生的函数的返回值的类型是整
型,第2个参数setuid说明产生的函数的名称。后面是系统调用所需要的每个参
数。这一宏指令后面还有两个参数uid_t和uid分别用来指定参数的类型和名称。

  另外,用作系统调用的参数的数据类型有一个限制,它们的容量不能超过四个
字节。这是因为执行int $0x80指令进行系统调用时,所有的参数值都存在32位的
CPU寄存器中。使用CPU寄存器传递参数带来的另一个限制是可以传送给系统调用的
参数的数目。这个限制是最多可以传递5个参数。所以Linux一共定义了6个不同的
_syscallN()宏指令,从_syscall0()、_syscall1()直到_syscall5()。

  一旦_syscallN()宏指令用特定系统调用的相应参数进行了扩展,得到的结
果是一个与系统调用同名的函数,它可以在用户程序中执行这一系统调用。

 

2 添加新的系统调用

  如果用户在Linux中添加新的系统调用,应该遵循几个步骤才能添加成功,下
面几个步骤详细说明了添加系统调用的相关内容。

(1) 添加源代码

  第一个任务是编写加到内核中的源程序,即将要加到一个内核文件中去的一个
函数,该函数的名称应该是新的系统调用名称前面加上sys_标志。假设新加的系统
调用为mycall(int number),在/usr/src/linux/kernel/sys.c文件中添加源代
码,如下所示:

  asmlinkage int sys_mycall(int number)

  {

  return number;

  }

  作为一个最简单的例子,我们新加的系统调用仅仅返回一个整型值。

(2) 连接新的系统调用

  添加新的系统调用后,下一个任务是使Linux内核的其余部分知道该程序的存
在。为了从已有的内核程序中增加到新的函数的连接,需要编辑两个文件。

  在我们所用的Linux内核版本(RedHat 6.0,内核为2.2.5-15)中,第一个要
修改的文件是:

  /usr/src/linux/include/asm-i386/unistd.h

  该文件中包含了系统调用清单,用来给每个系统调用分配一个唯一的号码。文
件中每一行的格式如下:

  #define __NR_name NNN

  其中,name用系统调用名称代替,而NNN则是该系统调用对应的号码。应该将
新的系统调用名称加到清单的最后,并给它分配号码序列中下一个可用的系统调用
号。我们的系统调用如下:

  #define __NR_mycall 191

  系统调用号为191,之所以系统调用号是191,是因为Linux-2.2内核自身的系
统调用号码已经用到190。

  第二个要修改的文件是:

  /usr/src/linux/arch/i386/kernel/entry.S

  该文件中有类似如下的清单:

  .long SYMBOL_NAME()

  该清单用来对sys_call_table[]数组进行初始化。该数组包含指向内核中每个
系统调用的指针。这样就在数组中增加了新的内核函数的指针。我们在清单最后添
加一行:

  .long SYMBOL_NAME(sys_mycall)

    

(3) 重建新的Linux内核

  为使新的系统调用生效,需要重建Linux的内核。这需要以超级用户身份登
录。

  #pwd
  /usr/src/linux
  #

  超级用户在当前工作目录(/usr/src/linux)下,才可以重建内核。

  #make config
  #make dep
  #make clearn
  #make bzImage

  编译完毕后,系统生成一可用于安装的、压缩的内核映象文件:

  /usr/src/linux/arch/i386/boot/bzImage 

(4) 用新的内核启动系统

  要使用新的系统调用,需要用重建的新内核重新引导系统。为此,需要修
改/etc/lilo.conf文件,在我们的系统中,该文件内容如下:

  boot=/dev/hda
  map=/boot/map
  install=/boot/boot.b
  prompt
  timeout=50

  image=/boot/vmlinuz-2.2.5-15
  label=linux
  root=/dev/hdb1
 read-only

  other=/dev/hda1
  label=dos
  table=/dev/had

  首先编辑该文件,添加新的引导内核:

  image=/boot/bzImage-new
  label=linux-new
  root=/dev/hdb1
  read-only

  添加完毕,该文件内容如下所示:

  boot=/dev/hda
  map=/boot/map
  install=/boot/boot.b
  prompt
  timeout=50

  image=/boot/bzImage-new
  label=linux-new
  root=/dev/hdb1
  read-only

  image=/boot/vmlinuz-2.2.5-15
  label=linux
  root=/dev/hdb1
  read-only

  other=/dev/hda1
  label=dos
  table=/dev/hda

  这样,新的内核映象bzImage-new成为缺省的引导内核。

  为了使用新的lilo.conf配置文件,还应执行下面的命令:

  #cp /usr/src/linux/arch/i386/boot/zImage /boot/bzImage-new

  其次配置lilo:

  # /sbin/lilo

  现在,当重新引导系统时,在boot:提示符后面有三种选择:linux-new 、
linux、dos,新内核成为缺省的引导内核。

  至此,新的Linux内核已经建立,新添加的系统调用已成为操作系统的一部
分,重新启动Linux,用户就可以在应用程序中使用该系统调用了。

(5)使用新的系统调用

  在应用程序中使用新添加的系统调用mycall。同样为实验目的,我们写了一个
简单的例子xtdy.c。

  /* xtdy.c */

  #include

  _syscall1(int,mycall,int,ret)

  main()

  {

  printf(""%d "",mycall(100));

  }

  编译该程序:

  # cc -o xtdy xtdy.c

  执行:

  # xtdy

  结果:

  # 100

  注意,由于使用了系统调用,编译和执行程序时,用户都应该是超级用户身
份。