Linux/Golang/glibC系统调用

Linux/Golang/glibC系统调用

本文主要通过分析Linux环境下Golang的系统调用，以此阐明整个流程

有时候涉略过多，反而遭到质疑~，写点文章证明自己实力也好

Golang系统调用

找个函数来分析
https://pkg.go.dev/os/exec#Cmd.Wait

源码文件在src/os目录下的： exec.go -> exec_unix.go -> pidfd_linux.go
https://github.com/golang/go/blob/2f6426834c150c37cdb1330b48e9903963d4329c/src/os/exec.go#L134
go/src/os /exec.go

go/src/os /exec_unix.go

go/src/os /pidfd_linux.go

往下是系统调用： src/syscall目录的 syscall_linux.go -> ``
go/src/syscall /syscall_linux.go

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runtime层的：src/internal/runtime/syscall/syscall_linux.go，如下图，可以看见Sysacll6只有声明没有函数体，是个外部声明。
src/internal/runtime/syscall/syscall_linux.go

其函数体内容实际上位于同目录下的 .s 汇编文件，与编译时采用的架构工具链相关。

  • 如编译工具链采用amd64则会编译链接位于 src/internal/runtime/syscall/asm_linux_amd64.s 的汇编文件
    image
  • 如编译工具链采用arm64，则会编译链接 src/internal/runtime/syscall/asm_linux_arm64.s 的汇编文件
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by the way: 这里的语法是Golang汇编，属于Plan9分支。
golang汇编参考资料:

  1. 官网资料 https://go.dev/doc/asm
  2. 简洁概述 https://hopehook.com/post/golang_assembly/

总结：Golang直接了当地使用汇编实现了系统调用(软中断号)，而不需要再通过 libc 去调用系统调用库。这样的好处是不需要考虑 glibc 繁杂沉重的兼容性方案。

Linux 定义的系统调用表

  • 很全的表格：https://gpages.juszkiewicz.com.pl/syscalls-table/syscalls.html
  • ARM64架构：
  • x86_32位架构tbl系统调用表： https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/entry/syscalls/syscall_32.tbl
  • x86_64位架构tbl系统调用表： https://github.com/torvalds/linux/blob/master/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl

本地审计工具：ausyscall --dump

Linux系统调用

内核实现

通过软中断陷入内核态/特权模式
和STM32 ARM核心一样，都是由一个异常向量表描述中断对应的Handler地址，软硬中断也是一样。
系统调用函数在 include/linux/syscalls.h中定义

我们拿asmlinkage long sys_openat(int dfd, const char __user *filename, int flags, umode_t mode); 来分析

这里使用了汇编链接，它和上文提到的tbl系统调用表有关。我们拿x86/i386分析，arch/x86/entry/syscalls/syscall_32.tbl
32.tbl
中断号 295 架构i386即传统32位x86 sys_openat 是其回调函数/软中断Handler

linux/include/uapi/asm-generic/unistd.h

其实现位于 arch/处理器架构/include/之下
可以在 arch/x86 下搜索 openat

关于内核的系统调用这部分，本人会在再出一个文章。

Glibc 系统调用库

注意：Glibc属于库，不属于内核，是根文件系统的一部分。
我们在应用态陷入内核态，使用的c库里的open()等等函数，最后都是链式调用到了syscall()类的系统调用函数。

看glibc的源码，就会发现弯弯绕绕，最后是调用到

  • x86汇编 https://github.com/bminor/glibc/tree/master/sysdeps/unix/x86_64

  • arm汇编 https://github.com/bminor/glibc/tree/master/sysdeps/unix/arm

    • sysdeps/unix/arm/sysdep.S
      image

    • sysdeps/unix/arm/sysdep.h
      image

作用是将参数写入寄存器，让SoC自己触发软中断，根据Linux内核注册的软中断号执行对应地址段的函数，也就是我们常在STM32里注册定义的中断的handle函数。

Linux应用态到内核态例子

在线阅读代码：

  1. https://elixir.bootlin.com/glibc/glibc-2.29/source/include/errno.h#L37
  2. https://codebrowser.dev/glibc/glibc/io/read.c.html
  3. 带了编译产物的仓库 https://github.com/bminor/glibc/tree/a81cdde1cb9d514fc8f014ddf21771c96ff2c182
    这些在线网站都不错，但为了高亮，所以我截图放了github的

我们在应用层调用 系统库的 fread()函数
其链接到glibc库的 libio/iofread.c
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其中第44行可见其为 _IO_fread 声明了weak弱链接别名 fread，有关别名表可见编译产物如sysdeps/unix/syscalls.list等
做了一些预操作之后，调用libio/libio.h 声明的 libio/genops.c:_IO_sgetn
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宏定义 libio/libioP.h
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ps: JUMP2代表两个参数

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展开宏
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展开宏
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展开宏

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展开宏
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结构体
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也就说调用了 FP.__xsgetn(FP, DATA, N) ，展开差不多是

struct _IO_FILE_plus *THIS;
THIS->vtable->__xsgetn; 即_IO_xsgetn_t类型函数指针

即THIS/file对象的函数地址 size_t __xsgetn (FILE *FP, void *DATA, size_t N);

初始化位于
https://codebrowser.dev/glibc/glibc/libio/tst-vtables-common.c.html#jumps

相关的计数器
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再看另一个，我们常用的fopen
fopen

_IO_file_fopen

compat_symbol (libc, _IO_old_file_fopen, _IO_file_fopen, GLIBC_2_0);

_IO_old_file_fopen

#define __open open

这里定向到了 open， 我们需要通过编译产物 sysdeps/unix/syscalls.list 找到其链接段
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可在 io/open.c 找到函数 __libc_open 位于
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由于弱定义，所以被以下覆盖 sysdeps/unix/sysv/linux/open.c

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关键在于第43行的SYSCALL_CANCEL，其中的宏
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展开宏INLINE_SYSCALL_CALL
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展开宏
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展开宏
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展开宏
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展开为

//展开
__INLINE_SYSCALL4(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)
//继续展开为
__INLINE_SYSCALL(openat, 4, AT_FDCWD, file, oflag, mode)

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  • ARM64位于 sysdeps/unix/sysv/linux/aarch64/sysdep.h
  • X86的位于 sysdeps/unix/sysv/linux/x86_64/sysdep.h
//x86
#define SYS_ify(syscall_name)	__NR_##syscall_name#define INTERNAL_SYSCALL(name, nr, args...)				\internal_syscall##nr (SYS_ify (name), args)
//aarch64即 arm64
# define INTERNAL_SYSCALL_AARCH64(name, nr, args...)		\INTERNAL_SYSCALL_RAW(__ARM_NR_##name, nr, args)

x86的展开为 internal_syscall4 (__NR_openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)
可在 sysdeps/unix/sysv/linux/sh/arch-syscall.h 找到，其中断号为 295
image

对应openat的x86/i386中断号，刚好就是295，源码分析完全正确！每种平台的中断号都不一样，但是这样分析是正确的。
体验一下GNU宏地狱吧！

而ARM64的就高明得多，直接通过asm汇编指令写寄存器跳转执行__libc_do_syscall完成
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glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/arm/libc-do-syscall.S
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总之是一个系统调用，等价于 openat(AT_FDCWD, file, oflag, mode);

总结：sysdeps是系统调用的实现，向上屏蔽细节，但是封装的过程用于一堆条件宏，根本没办法用代码分析工具，也难以调试。
对GNU LIBC代码的个人拙见：
好处：节省空间，较好的运行速度。
坏处：作为计算机世界的底层支持，这样还不如在编译器优化阶段下功夫，过多的黑魔法必然写出难以理解的代码，牵一发动全身，没有人愿意去改这堆疯狂嵌套的代码。作为新兴语言爱好者的我，始终认为程序要少点黑魔法，简洁直接才是最优解，剩下的东西都应该交给编译器，何况系统调用的耗时从来就不在这里，主要性能影响都是在内核态用户态切换的时候，并不在c库本身。

GNU的代码向来很难读，glibc更是个寄吧，各种宏和硬链接乱飞，有再好的代码阅读工具也难找出来。
但要说来，说到底还是c语言/链接器的设计缺陷，没办法更好的实现动态表和静态表。（多态组合、编译期间的函数静态段的多分支链接）

微软的代码是框架难以理解，因为他们也不给出架构图和代码结构的...，，而GNU的代码是宏和链接难以理解。

最后

请指正批评！感谢阅读。

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