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张忻（原创作品转载请注明出处）

《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、知识概要

（一）用户态、内核态和中断处理过程

（二）系统调用概述

系统调用概述和系统调用的三层皮

（三）使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码触发同一个系统调用

使用库函数API获取系统当前时间

C代码中嵌入汇编代码的方法（复习）

使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用获取系统当前时间

二、学习笔记

（一）用户态、内核态和中断处理过程

• 一般现代CPU都有几种不同的指令执行级别。
• 在高执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址，这种CPU执行级别就对应着内核态。
• 而在相应的低级别执行状态下，代码的掌控范围会受到限制。只能在对应级别允许的范围内活动。
• 举例：Intel x86CPU有四种不同的执行级别0-3，Linux只使用了其中的0 3级分别表示内核态和用户态
• cs寄存器的最低两位表明了当前代码的特权级。
• CPU每条指令的读取都是通过cs:eip这两个寄存器：其中cs是代码段选择寄存器，eip是偏移量寄存器。
• 上述判断由硬件完成。
• 一般来说在Linux中，地址空间是一个显著地标志：0xc0000000以上的地址空间只能在内核态下访问，都可以访问0x00000000-0xbfffffff的地址空间在两种状态下。注意：这里说的地址空间是逻辑地址而不是物理地址。

中断处理是是从用户态进入内核态的主要方式。

系统调用只是一种特殊的中断。

• 寄存器上下文 从用户态切换到内核态时，必须要保存用户态的寄存器上下文。
• 中断/int指令会在堆栈上保存一些寄存器的值。如：用户态栈顶地址、当时的状态字、当时的cs:eip的值。

中断发生后的第一件事就是保存现场，结束前最后一件事是恢复现场。

• 保护现场就是进入中断程序 保存需要用到的寄存器的数据。
• 恢复现场就是推出中断程序 恢复保存寄存器的数据。

中断处理的完整过程

• interrupt(ex:int 0x80)-save
• SAVE_ALL
• RESTORE_ALL
• iret-pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack

（二）系统调用概述

系统调用概述和系统调用的三层皮

1.系统调用的意义

操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口——系统调用

• 把用户从底层的硬件编程中解放出来
• 极大的提高了系统的安全性
• 使用户程序具有可移植性

2.API和系统调用

应用编程接口(application program interface, API) 和系统调用是不同的

• API只是一个函数定义
• 系统调用通过软中断向内核发出一个明确的请求

Libc库定义的一些API引用了封装例程 (wrapper routine，唯一目的就是发布系统调用)

• 一般每个系统调用对应一个封装例程
• 库再用这些封装例程定义出给用户的API

不是每个API都对应一个特定的系统调用。

• API可能直接提供用户态的服务。如，一些数学函数
• 一个单独的API可能调用几个系统调用
• 不同的API可能调用了同一个系统调用

返回值

• 大部分封装例程返回一个整数，其值的含义依赖于相应的系统调用
• -1在多数情况下表示内核不能满足进程的请求
• Libc中定义的errno变量包含特定的出错码

3.应用程序、封装例程、系统调用处理程序及系统调用服务例程之间的关系

系统调用的三层皮：xyz、system_call和sys_xyz

（1）系统调用程序及服务例程

当用户态进程调用一个系统调用时，CPU切换到内核态并开始执行一个内核函数。

• 在Linux中是通过执行int $0x80来执行系统调用的， 这条汇编指令产生向量为128的编程异常
• Intel Pentium II中引入了sysenter指令（快速系统调 用），2.6已经支持（本课程不考虑这个）

传参：

• 内核实现了很多不同的系统调用， 进程必须指明需要哪个系统调用，这需要传递一个名为系统调用号的参数（系统调用号将xyz和sys_xyz关联起来了）
• 使用eax寄存器

（2）参数传递 
系统调用也需要输入输出参数，例如

• 实际的值
• 用户态进程地址空间的变量的地址
• 甚至是包含指向用户态函数的指针的数据结构的地址

system_call是linux中所有系统调用的入口点，每个系统调用至少有一个参数 ，即由eax传递的系统调用号

• 一个应用程序调用fork()封装例程，那么在执行int $0x80之前就把eax寄存器的值 置为2(即__NR_fork)。
• 这个寄存器的设置是libc库中的封装例程进行的，因此用户一般不关心系统调用号
• 进入sys_call之后，立即将eax的值压入内核堆栈
• 寄存器传递参数具有如下限制： 1）每个参数的长度不能超过寄存器的长度，即32位 2）在系统调用号（eax）之外，参数的个数不能超过6个（ebx， ecx，edx，esi，edi，ebp） 3）超过6个怎么办？把某一个寄存器作为一个指针，指向某一块内存。

（三）使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码触发同一个系统调用

1.使用库函数API获取系统当前时间

2.C代码中嵌入汇编代码的方法（复习）

3.使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用获取系统当前时间

三、作业

1.实验过程

分析汇编代码调用系统调用的工作过程，特别是参数的传递的方式等。

（1）通过库函数chomd函数改变文件的权限为只读

代码如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>

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;
}

在普通用户下编译运用，输出结果为：

上面系统调用返回的值为-1，说明系统调用失败，错误码为1，

即无权限进行该操作，我们以普通用户权限是无法修改 /etc/passwd 文件的属性的，结果正确。

（2）使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用改变文件的权限为只读

代码如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <errno.h>

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（存放在变量 rc 中）在 -1~-132 之间，就必须要解释为出错码（在/usr/include/asm-generic/errno.h 文件中定义的最大出错码为 132），这时，将错误码写入 errno 中，置系统调用返回值为 -1；否则返回的是 eax 中的值。

结果如图：

上面程序在 32位Linux下以普通用户权限编译运行结果与前面两个相同。

2.总结

对“系统调用的工作机制”的理解。

可以通过库函数API使用系统调用或者用汇编方式触发系统调用。

参考资料：http://www.linuxidc.com/Linux/2014-12/110238.htm