学习目标
使用gdb跟踪分析一个系统调用内核函数，分析系统调用的过程，从system_call开始到iret结束之间的整个过程，并画出简要准确的流程图
基础知识
系统调用在内核代码中的处理过程
1.main.c中start_kernel函数：trap_init()函数中有一句 set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR,&system_call)。
其中：SYSCALL_VECTOR：系统调用的中断向量（#define SYSCALL_VECTOR 0x80），&system_call：汇编代码入口
2.一执行int $0x80，系统直接跳转到system_call。
3.SAVE_ALL：保存现场
4.call *sys_call_table(,%eax,4)调用了系统调度处理函数，eax存的是系统调用号，是实际的系统调度程序。 sys_call_table：系统调用分派表
5.syscall_after_all：保存返回值
6.syscall退出，若有sys_exit_work，则进入sys_exit_work:执行的目的是处理进程之间的信号或者进程调度。
7.若无sys_exit_work，就执行restore_all恢复现场。
8.返回用户态，INTERRUPT_RETURN <=> iret，结束。
实验部分
实验步骤
在LinuxKernel/menu/test.c中添加如图所示的代码
运行自动编译脚本，生成根文件系统
运行MenuOS结果
gdb调试sys_write
gdb调试sys_write的汇编指令，但是无法看到system_call的汇编
gdb调试sys_time的汇编指令，但是无法看到system_call的汇编
代码分析
\arch\x86\kernel\traps.c中的trap_init()
792 793 794 795 796 797 798 799 800 801 802 803 804 805 806 807 808 809 810 811 812 813 814 815 816 817 818 819 820 821 822 823 824 825 826 827 828 829 830 831 832 833 834 835 836 837 838 839 840 841 842 843 844 845 846 847 848 849 850 851 852 853 854 855 856 857 858 859 860 861 862 863 | void __init trap_init(void){ int i;#ifdef CONFIG_EISA void __iomem *p = early_ioremap(0x0FFFD9, 4); if (readl(p) == 'E' + ('I'<<8) + ('S'<<16) + ('A'<<24)) EISA_bus = 1; early_iounmap(p, 4);#endif set_intr_gate(X86_TRAP_DE, divide_error); set_intr_gate_ist(X86_TRAP_NMI, &nmi, NMI_STACK); /* int4 can be called from all */ set_system_intr_gate(X86_TRAP_OF, &overflow); set_intr_gate(X86_TRAP_BR, bounds); set_intr_gate(X86_TRAP_UD, invalid_op); set_intr_gate(X86_TRAP_NM, device_not_available);#ifdef CONFIG_X86_32 set_task_gate(X86_TRAP_DF, GDT_ENTRY_DOUBLEFAULT_TSS);#else set_intr_gate_ist(X86_TRAP_DF, &double_fault, DOUBLEFAULT_STACK);#endif set_intr_gate(X86_TRAP_OLD_MF, coprocessor_segment_overrun); set_intr_gate(X86_TRAP_TS, invalid_TSS); set_intr_gate(X86_TRAP_NP, segment_not_present); set_intr_gate(X86_TRAP_SS, stack_segment); set_intr_gate(X86_TRAP_GP, general_protection); set_intr_gate(X86_TRAP_SPURIOUS, spurious_interrupt_bug); set_intr_gate(X86_TRAP_MF, coprocessor_error); set_intr_gate(X86_TRAP_AC, alignment_check);#ifdef CONFIG_X86_MCE set_intr_gate_ist(X86_TRAP_MC, &machine_check, MCE_STACK);#endif set_intr_gate(X86_TRAP_XF, simd_coprocessor_error); /* Reserve all the builtin and the syscall vector: */ for (i = 0; i < FIRST_EXTERNAL_VECTOR; i++) set_bit(i, used_vectors);#ifdef CONFIG_IA32_EMULATION set_system_intr_gate(IA32_SYSCALL_VECTOR, ia32_syscall); set_bit(IA32_SYSCALL_VECTOR, used_vectors);#endif#ifdef CONFIG_X86_32 set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call); set_bit(SYSCALL_VECTOR, used_vectors);#endif /* * Set the IDT descriptor to a fixed read-only location, so that the * "sidt" instruction will not leak the location of the kernel, and * to defend the IDT against arbitrary memory write vulnerabilities. * It will be reloaded in cpu_init() */ __set_fixmap(FIX_RO_IDT, __pa_symbol(idt_table), PAGE_KERNEL_RO); idt_descr.address = fix_to_virt(FIX_RO_IDT); /* * Should be a barrier for any external CPU state: */ cpu_init(); x86_init.irqs.trap_init();#ifdef CONFIG_X86_64 memcpy(&debug_idt_table, &idt_table, IDT_ENTRIES * 16); set_nmi_gate(X86_TRAP_DB, &debug); set_nmi_gate(X86_TRAP_BP, &int3);#endif} |
第839行set_system_trap_gate(SYSCALL_VECTOR, &system_call);设置了系统调用的中断向量（即系统调用的入口地址），即system_call“函数”的地址绑定到中断向量。所以在int $0x80之后，就转到中断向量，从而执行中断处理程序（系统调用程序）。也就是说中断向量指向的中断处理程序就是int $0x80指令执行完之后接着执行的指令的地方。
/arch/x86/kernel/entry_32.S
490 491 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501 502 503 504 505 506 507 508 509 510 511 512 513 514 515 516 517 518 519 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 531 532 533 534 | ENTRY(system_call) RING0_INT_FRAME # can't unwind into user space anyway ASM_CLAC pushl_cfi %eax # save orig_eax SAVE_ALL//保存现场 GET_THREAD_INFO(%ebp)//获取thread_info结构的信息 # system call tracing in operation / emulation testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)// 测试是否有系统跟踪 jnz syscall_trace_entry//如果有系统跟踪，先执行，然后再回来 cmpl $(NR_syscalls), %eax//比较eax中的系统调用号和最大syscall，超过则无效 jae syscall_badsys//无效的系统调用 直接返回syscall_call: call *sys_call_table(,%eax,4)//系统调用处理程序使用eax传过来的系统调用号查表来执行相应函数syscall_after_call://保存返回值 movl %eax,PT_EAX(%esp) # store the return valuesyscall_exit: LOCKDEP_SYS_EXIT DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY) # make sure we don't miss an interrupt # setting need_resched or sigpending # between sampling and the iret TRACE_IRQS_OFF movl TI_flags(%ebp), %ecx testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx # current->work//检测是否所有工作已完成 jne syscall_exit_work//未完成，则去执行这些任务restore_all: TRACE_IRQS_IRETrestore_all_notrace:#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX32 movl PT_EFLAGS(%esp), %eax # mix EFLAGS, SS and CS # Warning: PT_OLDSS(%esp) contains the wrong/random values if we # are returning to the kernel. # See comments in process.c:copy_thread() for details. movb PT_OLDSS(%esp), %ah movb PT_CS(%esp), %al andl $(X86_EFLAGS_VM | (SEGMENT_TI_MASK << 8) | SEGMENT_RPL_MASK), %eax cmpl $((SEGMENT_LDT << 8) | USER_RPL), %eax CFI_REMEMBER_STATE je ldt_ss # returning to user-space with LDT SS#endifrestore_nocheck://恢复现场 RESTORE_REGS 4 # skip orig_eax/error_codeirq_return: INTERRUPT_RETURN.section .fixup,"ax" |
SAVE_ALL
186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 | .macro SAVE_ALL cld PUSH_GS pushl_cfi %fs /*CFI_REL_OFFSET fs, 0;*/ pushl_cfi %es /*CFI_REL_OFFSET es, 0;*/ pushl_cfi %ds /*CFI_REL_OFFSET ds, 0;*/ pushl_cfi %eax CFI_REL_OFFSET eax, 0 pushl_cfi %ebp CFI_REL_OFFSET ebp, 0 pushl_cfi %edi CFI_REL_OFFSET edi, 0 pushl_cfi %esi CFI_REL_OFFSET esi, 0 pushl_cfi %edx CFI_REL_OFFSET edx, 0 pushl_cfi %ecx CFI_REL_OFFSET ecx, 0 pushl_cfi %ebx CFI_REL_OFFSET ebx, 0 movl $(__USER_DS), %edx movl %edx, %ds movl %edx, %es movl $(__KERNEL_PERCPU), %edx movl %edx, %fs SET_KERNEL_GS %edx.endm |
指令中的一些小疑惑的地方：.macro和.endm，用.MACRO指令你可以定义一个宏，可以把需要重复执行的一段代码，或者是一组指令缩写成一个宏
在这段代码中，保存了相关寄存器的值。它们是：ES,DS,EAX,EBP,EDI,ESI,EDX,ECX,EBX等等。从这里寄存器的顺序可以知道压栈的最后压入的是ebx，这里压入的栈是内核栈。
RESTORE_REGS
217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 | .macro RESTORE_INT_REGS popl_cfi %ebx CFI_RESTORE ebx popl_cfi %ecx CFI_RESTORE ecx popl_cfi %edx CFI_RESTORE edx popl_cfi %esi CFI_RESTORE esi popl_cfi %edi CFI_RESTORE edi popl_cfi %ebp CFI_RESTORE ebp popl_cfi %eax CFI_RESTORE eax.endm.macro RESTORE_REGS pop=0 RESTORE_INT_REGS1: popl_cfi %ds /*CFI_RESTORE ds;*/2: popl_cfi %es /*CFI_RESTORE es;*/3: popl_cfi %fs /*CFI_RESTORE fs;*/ POP_GS \pop.pushsection .fixup, "ax"4: movl $0, (%esp) jmp 1b5: movl $0, (%esp) jmp 2b6: movl $0, (%esp) jmp 3b.popsection _ASM_EXTABLE(1b,4b) _ASM_EXTABLE(2b,5b) _ASM_EXTABLE(3b,6b) POP_GS_EX.endm |
从上面代码中可以看出SAVE_ALL和RESTORE_INT_REGS是对应的
源码几百行过于复杂，孟老师将它简化几十行的汇编伪代码：
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 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 | .macro INTERRUPT_RETURN iret.endm .marco SAVE_ALL ....endm .macro RESTORE_INT_REGS ... .endmENTRY（system_call） SAVE_ALL syscall_call: call *sys_call_table(%eax,4) movl %eax,PT_EAX(%esp) #store the return value syscall_exit: testl $_TLF_ALLWORK_MASK,%ecx #current->work//检查是否还有其它工作要完成 jne syscall_exit_workrestore_all://恢复处理器状态 RESTORE_INT_REGSirq_return: INTERRUPT_RETURNENDPROC(system_call)syscall_exit_work: testl $_TIF_WORK_SYSCALL_EXIT,%ecx//测试syscall退出信号 jz work_pending //还有其它工作要做 END(syscall_exit_work) work_pending: testb $_TIF_NEED_RESCHED,%cl //检查是否需要重新调度 jz work_notifysig //不需要重新调度 work_resched://需要重新调度 call schedule //调度进程 jz retore_all//没有其它的事,则恢复处理器状态 work_notifysig: #deal with pending signals//处理挂起的信号 ... END(work_pending) |
流程图
总结
int 0x80之后发生了什么呢？
第一步硬件细节：把cs:eip的值存储内核栈中，把ss:esp的值存储内核栈中，把eflags的值存储内核栈中
第二步硬件细节：更新cs:eip的值为0x80的中断服务函数
第三步硬件细节：将ss:esp的值指向了内核栈中的栈顶位置。
第四步软件细节：SAVE_ALL 在SAVE_ALL中我们看到了都是pushl的操作，其实是将这些值都存储进入了内核栈中。并且存储的部分寄存器的值，将会起到输入参数的功能。
当中断服务函数完成后
第五步软件细节：RESTORE_ALL 与SAVE_ALL的值是对应的。
第六步硬件细节：iret,这个iret与我们函数的ret是不同的，是与上述第一步的硬件的细节相互对应的。 将会从内核栈中将:eflags、ss:esp、cs:eip这三个值依次恢复到寄存器中，并换回到用户态中来。