03 - 系统调用-编程知识

---- 整理自王利涛老师课程
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文章目录

1. 系统调用基本概念
- 1.1 一个系统调用的例子
- 1.2 什么是系统调用？软件复用的角度
2. 软中断：系统调用的入口
- 2.1 权限管理
- 2.2 系统调用号
- 2.4 man 2 syscall
- 2.5 实验：arm 系统调用
- 2.6 实验：x86 系统调用
3. 系统调用接口的封装
- 3.1 glibc
- - 3.1.1 C 标准库
  - 3.1.2 x86 平台
  - 3.1.3 arm 平台
- 3.2 syscall
- - 3.2.1 x86_64 下
  - 3.2.2 arm 下
4. 系统调用流程分析
5. 添加一个系统调用
6. 系统调用的开销
- 6.1 主要开销
- 6.2 解决之道
- 6.2.1 快速系统调用
- - 6.2.2 虚拟系统调用：vsyscall
  - 6.2.3 虚拟动态共享对象：VDSO
  - - 6.2.3.1 VDSO：virtual dynamic shared object
    - 6.2.3.2 VVAR：VDSO data page
    - 6.2.3.3 实验：反汇编 VDSO 动态库
7. 文件的读写流程

1. 系统调用基本概念

1.1 一个系统调用的例子

在这里插入图片描述

1.2 什么是系统调用？软件复用的角度

main.c – add() – add.c add.h add.o ⇒ ar ⇒ libmath.so / libmath.a
main.c – sub() – sub.c sub.h sub.o ⇒ ar ⇒ libmath.so / libmath.a

glibc – 默认链接
OS：硬件资源的封装，任务创建、调度，读写磁盘等
如 ucos：OSInit() – OSTaskCreate() – 创建一个任务
如 Linux：手机、电脑，底层的硬件、OS、上层 App
权限管理：内核态、用户态
系统调用：App – 陷入内核态 – 访问硬件设备

2. 软中断：系统调用的入口

2.1 权限管理

程序的用户态、内核态
操作系统 + CPU 软中断：swi / svc
CPU 的运行级别：普通权限 & 特权
- ARM32：
  - 普通模式：User
  - 特权模式：FIQ、IRQ、SVC、ABT、UND
- ARM64：EL0、EL1、EL2、EL3
- X86：ring0 ~ ring3

2.2 系统调用号

系统调用接口：read、write
内核中的实现：sys_read、sys_write
系统调用号：
- 32 位 ARM：3、4
- 64 位 ARM：0、1
- 32 位 X86：3、4
- 64 位 X86：0、1

2.4 man 2 syscall

man 2 syscall

在这里插入图片描述

2.5 实验：arm 系统调用

.text
.global _start_start:mov r0, #1             /* stdout*/add r1, pc, #16        /* address of the string*/mov r2, #12            /* string length*/mov r7, #4             /*syscall for 'write'*/swi #0                 /* software interrupt*/_exit:mov r7, #1             /* syscall for 'exit'*/swi #0                 /* software interrupt*/_string:
.asciz "Hello world\n"          @ our string, NULL terminated

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2.6 实验：x86 系统调用

x86_32

.text
_start:mov $4, %eax /* syscall write */mov $1, %ebx /* fd */mov $str, %ecxmov $13, %edxint $0x80mov $1, %eaxmov $0, %ebxint $0x80.data
str:.string "Hello world!\n"

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x86_64

.text
_start:mov $1, %rax /* syscall write */mov $1, %rdi /* fd */mov $str, %rsimov $13, %rdxsyscallmov $60, %raxmov $0, %rdisyscall.data
str:.string "Hello world!\n"

在这里插入图片描述

3. 系统调用接口的封装

3.1 glibc

3.1.1 C 标准库

包含一系列系统调用接口的封装
read、write、fork、open …

3.1.2 x86 平台

在这里插入图片描述

3.1.3 arm 平台

在这里插入图片描述

3.2 syscall

在 C 标准库中没有封装的系统调用
syscall 是一个库函数
syscall 封装了系统调用的汇编接口
- 系统调用前保存 CPU 寄存器
- 从系统调用返回后，恢复寄存器

3.2.1 x86_64 下

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{printf("Hello world!\n");write(1, "Hello world!\n", 13);// 系统调用号1  标准输出 字符串内容 字符串长度syscall(1, 1, "Hello syscall!\n", 15);return 0;
}

在这里插入图片描述

3.2.2 arm 下

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{printf("Hello world!\n");write(1, "Hello world!\n", 13);// 系统调用号4  标准输出 字符串内容 字符串长度syscall(4, 1, "Hello syscall!\n", 15);return 0;
}

在这里插入图片描述

4. 系统调用流程分析

示例：kill
接口封装： /usr/arm-linux-gnueabi/lib/libc.a
系统调用号： arch/arm/include/generated/calls-eabi.S
内核实现： kernel/signal.c
中断处理： arch/arm/kernel/entry-common.S

// kernel\linux-5.10.4\arch\arm\include\generated\uapi\asm\unistd-common.h
...
#define __NR_kill (__NR_SYSCALL_BASE + 37) // 系统调用号
...
// kernel\linux-5.10.4\include\linux\syscalls.h
...
asmlinkage long sys_kill(pid_t pid, int sig); // 系统调用函数声明
asmlinkage long sys_tkill(pid_t pid, int sig);
asmlinkage long sys_tgkill(pid_t tgid, pid_t pid, int sig);
...// kernel\linux-5.10.4\kernel\signal.c
...
/***  sys_kill - send a signal to a process*  @pid: the PID of the process*  @sig: signal to be sent*/
SYSCALL_DEFINE2(kill, pid_t, pid, int, sig) // 系统调用函数实现
{struct kernel_siginfo info;prepare_kill_siginfo(sig, &info);return kill_something_info(sig, &info, pid);
}
...

// kernel\linux-5.10.4\arch\arm\include\generated\calls-eabi.S
...
NATIVE(37, sys_kill) // 中断向量表
...// kernel\linux-5.10.4\arch\arm\kernel\entry-common.S
// 中断处理程序

5. 添加一个系统调用

增加内核对应的实现函数
在系统调用表中增加一个系统调用号及入口
编写测试程序：在应用层发起系统调用

在这里插入图片描述

6. 系统调用的开销

6.1 主要开销

中断
抢占系统、任务调度
同步
IO 等待

6.2 解决之道

快速系统调用：fast system call
虚拟系统调用：vsyscall
虚拟动态共享对象：VDSO

6.2.1 快速系统调用

x86 处理器
- 专门为系统调用设计的汇编指令
  Intel：sysenter、sysexit
  AMD：syscall、sysret
- 简化了系统调用和返回流程
- 预加载参数、不做权限检查
- 不再查表，直接从寄存器取值，实现快速跳转：MSR 寄存器
- 不需要保存地址和返回地址等信息

6.2.2 虚拟系统调用：vsyscall

在这里插入图片描述

proc/<PID>/maps
# 查看进程的虚拟地址空间是如何使用的。

编程实验：获取当前系统时间

使用系统调用 time 获取当前时间
使用虚拟系统调用接口获取当前时间
比较 1 和 2 的结果并分析
原先：app – time – int 80h / syscall – kernel – sys_time – user space
现在：app – time – vsyscall – user space （效率更高）

#include <stdio.h>
#include <time.h>typedef time_t (*time_fp)(time_t *);int main(void)
{time_t t1, t2;t1 = time(NULL);time_fp fp = (time_fp)0xffffffffff600400; // 可以下载 glibc-2.22 之前的版本，// 搜索：grep -nr VSYSCALL_ADDR_vtime 查看这里的地址。t2 = fp(NULL);printf("t1 = %ld\n", t1);printf("t2 = %ld\n", t2);return 0;
}

在这里插入图片描述

6.2.3 虚拟动态共享对象：VDSO

vsyscall 的局限性
- 分配的内存有限
- 只支持 4 个系统调用
- 在进程中的位置是静态的、固定的，易受攻击
VDSO 的改进
- 提供超过 4 个系统调用
- 在进程中的地址是随机的。如：time

6.2.3.1 VDSO：virtual dynamic shared object

# cat /proc/self/maps （6.2.2 中演示）
源码在内核中实现
arch/arm/kernel/vdso.c
关键函数：vdso_mremap、install_vvar
速度最快
开销最小，基本等价于函数调用开销

6.2.3.2 VVAR：VDSO data page

struct vdso_data

6.2.3.3 实验：反汇编 VDSO 动态库

将 VDSO 指令从内存中 dump 出来
反汇编为汇编代码
分析汇编代码

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可以关闭随机地址功能：echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

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可以通过：cat /proc/self/smaps 查看 vdso 大小。（输出内容较多，截取 vdso 大小的部分如下）

在这里插入图片描述

将 VDSO 指令从内存中 dump 出来

在这里插入图片描述

反汇编查看：objdump -T 显示文件的动态符号表入口，仅仅对动态目标文件有意义，比如某些共享库

在这里插入图片描述

起始地址：0x7ffff7fcd000
偏移：0x9e0

分析

#include <stdio.h>
#include <time.h>typedef time_t (*time_fp)(time_t *);int main(void)
{time_t t1, t2;t1 = time(NULL);time_fp fp = (time_fp)(0x7ffff7fcd000 + 0x9e0); // 见上述2，起始地址 + 偏移t2 = fp(NULL);printf("t1 = %ld\n", t1);printf("t2 = %ld\n", t2);return 0;
}