系统调用的实现原理
基本机制[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]前文已经提到了Linux下的系统调用是通过0x80实现的,但是我们知道操作系统会有多个系统调用(Linux下有319个系统调用),而对于同一个中断号是如何处理多个不同的系统调用的? [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]最简单的方式是对于不同的系统调用采用不同的中断号,但是中断号明显是一种稀缺资源,Linux显然不会这么做;还有一个问题就是系统调用是需要提供参数,并且具有返回值的,这些参数又是怎么传递的?也就是说,对于系统调用我们要搞清楚两点: 首先看第一个问题。实际上,Linux中每个系统调用都有相应的系统调用号作为唯一的标识,内核维护一张系统调用表,sys_call_table,表中的元素是系统调用函数的起始地址,而系统调用号就是系统调用在调用表的偏移量。在x86上,系统调用号是通过eax寄存器传递给内核的。比如fork()的实现:用户空间的程序无法直接执行内核代码。它们不能直接调用内核空间中的函数,因为内核驻留在受保护的地址空间上。如果进程可以直接在内核的地址空间上读写的话,系统安全就会失去控制。所以,应用程序应该以某种方式通知系统,告诉内核自己需要执行一个系统调用,**系统切换到内核态,这样内核就可以代表应用程序来执行该系统调用了。通知内核的机制是靠软件中断实现的。首先,用户程序为系统调用设置参数。其中一个参数是系统调用编号。参数设置完成后,程序执行“系统调用”指令。x86系统上的软中断由int产生。这个指令会导致一个异常:产生一个事件,这个事件会致使处理器切换到内核态并跳转到一个新的地址,并开始执行那里的异常处理程序。此时的异常处理程序实际上就是系统调用处理程序。它与硬件体系结构紧密相关。新地址的指令会保存程序的状态,计算出应该调用哪个系统调用,调用内核中实现那个系统调用的函数,恢复用户程序状态,然后将控制权返还给用户程序。系统调用是设备驱动程序中定义的函数最终被调用的一种方式。从系统分析的角度,linux的系统调用涉及4个方面的问题。响应函数sys_xxx响应函数名以“sys_”开头,后跟该系统调用的名字。例如:系统调用fork()的响应函数是sys_fork()(见Kernel/fork.c),exit()的响应函数是sys_exit()(见kernel/fork.)。系统调用表与系统调用号-=>数组与下标文件include/asm/unisted.h为每个系统调用规定了唯一的编号。
在我们系统中/usr/include/asm/unistd_32.h,可以通过find / -name unistd_32.h -print查找)而内核中的头文件路径不同的内核版本以及不同的发行版,文件的存储结构可能有所区别
假设用name表示系统调用的名称,那么系统调用号与系统调用响应函数的关系是:以系统调用号_NR_name作为下标,可找出系统调用表sys_call_table(见arch/i386/kernel/entry.S)中对应表项的内容,它正好是该系统调用的响应函数sys_name的入口地址。系统调用表sys_call_table记录了各sys_name函数在表中的位置,共190项。有了这张表,就很容易根据特定系统调用
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