系统调用的实现
以write()函数为例，write()函数就是一个系统调用函数，其定义在linux-0.11/lib/write.c中，这个文件的内容非常简单
1
2
3
4
5
|
#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
_syscall3(int,write,int,fd,const char *,buf,off_t,count)
|
就三行，开启了write()函数的定义
函数的定义并不像我们平常写C语言那样，它是用宏去定义的，所以会发现这里完全不符合C语言的规定，甚至没有分号
这段宏展开后是什么样的，需要先去查看以下宏定义，_syscall3()的宏定义在linux0.11/include/unistd.h下，将其截取出来
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
|
#define __NR_write 4
#define _syscall3(type,name,atype,a,btype,b,ctype,c) \
type name(atype a,btype b,ctype c) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
: "=a" (__res) \
: "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a)),"c" ((long)(b)),"d" ((long)(c))); \
if (__res>=0) \
return (type) __res; \
errno=-__res; \
return -1; \
}
|
有点复杂，简单来说它相当于一个类，定义了一个系统函数的大致模样，而这个_syscall3就描述了需要接收3个参数的函数的样子。
所以write.c的宏展开后是这样的
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
|
int write(int fd, const char* buf, off_t count)
{
long __res;
__asm__ volatile (
"int $0x80"
: "=a" (__res)
: "0" (__NR_write), "b" ((long)(fd)), "c" ((long)(buf)), "d" ((long)(count))
);
if (__res >= 0)
return (int) __res;
errno = -__res;
return -1;
}
|
__NR_write的宏定义已经在/include/unistd.h中给出，就是 4
这就是write()作为系统调用函数的完整定义了，主要还是用汇编实现的，重点是在eax中填入功能号然后调用0x80中断
这个中断，使得CPL=3的write()函数访问了idt中编号为0x80的中断描述符，这个中断描述符存储了DPL、段选择子和偏移地址，其中DPL=3使得write()能够访问这个中断描述符，而段选择子的CPL=0使得之后CS中的CPL=0，从用户态转为了内核态，由此可以访问内核中的东西。
一句话总结int 0x80的伟大之处就是，令CPL为3的指令访问了DPL为3的中断描述符，并强制修改了接下来的CPL为0
以上就是系统调用的从用户态转换到内核态的过程。接下谈谈int 0x80的实现
在idt中0x80处的中断描述符是如何定义的，这要从linux-0.11/init/main.c开始，简单截取一下
1
2
3
4
5
6
7
8
|
void main(void)
{
...
sched_init();
...
}
|
sched这个单词是schedule的缩写，也就是说sched_init()这个函数就是一个表格的初始化
这个函数定义在linux-0.11/kernal/sched.c下，省略了一些东西，重点关注一下最后的set_system_gate()函数
1
2
3
4
5
6
7
|
void sched_init(void)
{
...
set_system_gate(0x80,&system_call);
}
|
set_system_gate()的实现也是个宏，其定义在linux-0.11/include/asm/system.h中
1
2
3
4
|
#define set_system_gate(n,addr) \
_set_gate(&idt[n],15,3,addr)
|
_set_gate()的实现也在同一文件中
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
|
#define _set_gate(gate_addr,type,dpl,addr) \
__asm__ ("movw %%dx,%%ax\n\t" \
"movw %0,%%dx\n\t" \
"movl %%eax,%1\n\t" \
"movl %%edx,%2" \
: \
: "i" ((short) (0x8000+(dpl<<13)+(type<<8))), \
"o" (*((char *) (gate_addr))), \
"o" (*(4+(char *) (gate_addr))), \
"d" ((char *) (addr)),"a" (0x00080000))
|
整理一下set_system_gate(0x80,&system_call)的最终被替换为
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
|
__asm__ (
"movw %%dx,%%ax\n\t"
"movl %%eax,%1\n\t"
"movl %%edx,%2"
:
: "i" ((short) (0x8000+(dpl<<13)+(type<<8))),
"o" (*((char *) (gate_addr))),
"o" (*(4+(char *) (gate_addr))),
"d" ((char *) (addr)),"a" (0x00080000)
)
|
虽然看起来挺麻烦，但实际上很简单，就是填写 IDT（中断描述符表），将 system_call 函数地址写到 0x80 对应的中断描述符中，也就是在中断 0x80 发生后，自动调用system_call()函数
最终这个idt中的中断描述符长这样
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
| 63 48 47 46 44 43 40 39 37 36 32
+----------------------------------+--+----+--+--------+-+-+-+----------+
| | | | | | | |
| &system_call[31:16] |P |DPL |S | TYPE |0 0 0| Reserved |
| |1 | 00 |0 | 1|1|1|1| | |
+-------------+--+--+--+--+--------+--+----+--+--------+-+-+-+----------+
31 17 16 0
+----------------------------------+------------------------------------+
| | |
| Segment Selector | &system_call[15:0] |
| 0x0008 | |
+----------------------------------+------------------------------------+
|
可见，系统调用的 CS 段选择符指向了内核代码段描述符，段内偏移是 system_call 的地址。
然后来说说system_call()函数
这个system_call()函数是用纯汇编实现，定义在linux-0.11/kernel/system_call.s中：
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
| nr_system_calls = 72
.globl _system_call # 用.globl修饰符修饰为其他函数可见
_system_call:
cmpl $nr_system_calls-1,%eax # 检查系统调用编号是否在合法范围内
ja bad_sys_call
push %ds
push %es
push %fs
pushl %edx
pushl %ecx # push %ebx,%ecx,%edx as parameters
pushl %ebx # to the system call
movl $0x10,%edx # set up ds,es to kernel space，内核地址空间
mov %dx,%ds3
mov %dx,%es # ds=es=8，指向内核代码段
movl $0x17,%edx # 让fs指向LDT，用户地址空间
mov %dx,%fs
# _sys_call_table(, %eax, 4) = _sys_call_table + 4*eax
# 为什么乘4？因为一个函数指针4个字节
call _sys_call_table(,%eax,4) # 调用了函数表，假设eax=__NR_write
pushl %eax
movl _current,%eax
cmpl $0,state(%eax) # state
jne reschedule
cmpl $0,counter(%eax) # counter
je reschedule
|
其中_sys_call_table是一个全局函数数组，定义在linux-0.11/include/linux/sys.h
1
2
3
|
...
fn_ptr sys_call_table[] = { ..., sys_write, ... };
|
这个数组里还有其他很多函数的地址比如sys_close、sys_fork
fn_ptr的定义在linux-0.11/include/linux/sched.h中
1
2
3
|
...
typedef int (*fn_ptr)();
|
很明显，fn_ptr也就是function_pointer是函数指针类型
