系统调用

# 2. 系统调用

简单做一个系统调用

‍

# 实验之前

本实验是操作系统之基础 - 网易云课堂 (opens new window) 的配套实验，推荐大家进行实验之前先学习相关课程：

L4 操作系统接口
L5 系统调用的实现

如果网易云上的课程无法查看，也可以看 Bilibili 上的操作系统哈尔滨工业大学李治军老师 (opens new window) 。

我们复习下操作系统实现系统调用的基本过程：

应用程序调用库函数（API）；
API 将系统调用号存入 EAX，然后通过中断调用使系统进入内核态；
内核中的中断处理函数根据系统调用号，调用对应的内核函数（系统调用）；
系统调用完成相应功能，将返回值存入 EAX，返回到中断处理函数；
中断处理函数返回到 API 中；
API 将 EAX 返回给应用程序。 ‍

# 实验目的

建立对系统调用接口的深入认识；
掌握系统调用的基本过程；
能完成系统调用的全面控制；
为后续实验做准备。 ‍

# 实验内容

在 Linux 0.11 上添加两个系统调用，并编写两个简单的应用程序测试它们。

第一个系统调用是 iam() ，其原型为：

int iam(const char * name);

完成的功能是将字符串参数 name 的内容拷贝到内核中保存下来。要求 name 的长度不能超过 23 个字符。返回值是拷贝的字符数。如果 name 的字符个数超过了 23，则返回 “-1”，并置 errno 为 EINVAL。在 kernal/who.c 中实现此系统调用。

第二个系统调用是 whoami()，其原型为：

int whoami(char* name, unsigned int size);

它将内核中由 iam() 保存的名字拷贝到 name 指向的用户地址空间中，同时确保不会对 name 越界访存（name 的大小由 size 说明）。返回值是拷贝的字符数。如果 size 小于需要的空间，则返回“-1”，并置 errno 为 EINVAL。也是在 kernal/who.c 中实现。

运行添加过新系统调用的 Linux 0.11，在其环境下编写两个测试程序 iam.c 和 whoami.c。最终的运行结果是：

$ ./iam lizhijun

$ ./whoami

lizhijun

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# 实验报告与评分标准

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将 testlab2.c 在修改过的 Linux 0.11 上编译运行，显示的结果即内核程序的得分。满分 50%
只要至少一个新增的系统调用被成功调用，并且能和用户空间交换参数，可得满分
将脚本 testlab2.sh 在修改过的 Linux 0.11 上运行，显示的结果即应用程序的得分。满分 30%
实验报告，20%

在实验报告中回答如下问题：

从 Linux 0.11 现在的机制看，它的系统调用最多能传递几个参数？你能想出办法来扩大这个限制吗？
用文字简要描述向 Linux 0.11 添加一个系统调用 foo() 的步骤。

在讲如何做之前，我们先回顾下一个普通的系统调用的过程，具体是怎么样，我们依样画葫芦。

# 应用程序如何调用“系统调用”

系统调用也是一些函数，所以调用起来，和我们调用一个普通的自定义函数没有什么区别，但调用后发生的事情有很大不同。

调用自定义函数是通过 call 指令直接跳转到该函数的地址，继续运行。

而调用系统调用，是调用系统库中为该系统调用编写的一个接口函数，叫 API（Application Programming Interface）。API 并不能完成系统调用的真正功能，它要做的是传参（系统调用号存入 EAX，函数参数传到其他通用寄存器），然后通过中断去调用真正的系统调用，

举个例子，看看 close 这个系统调用：文件在 lib/close.c

#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>

_syscall1(int, close, int, fd)

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‍ 其中 _syscall1 是一个宏，在 include/unistd.h 中定义。

#define _syscall1(type,name,atype,a) \
type name(atype a) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
    : "=a" (__res) \
    : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a))); \
if (__res >= 0) \
    return (type) __res; \
errno = -__res; \
return -1; \
}

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将 _syscall1(int,close,int,fd) 进行宏展开，可以得到：

int close(int fd)
{
    long __res;
    __asm__ volatile ("int $0x80"
        : "=a" (__res)
        : "0" (__NR_close),"b" ((long)(fd)));
    if (__res >= 0)
        return (int) __res;
    errno = -__res;
    return -1;
}

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这就是 API 的定义。它先将宏 __NR_close 存入 EAX，将参数 fd 存入 EBX，然后进行 0x80 中断调用。调用返回后，从 EAX 取出返回值，存入 __res，再通过对 __res 的判断决定传给 API 的调用者什么样的返回值。 ‍ 其中 __NR_close 就是系统调用的编号，在 include/unistd.h 中定义：

#define __NR_setup	0
#define __NR_exit	1
#define __NR_fork	2
#define __NR_read	3
#define __NR_write	4
#define __NR_open	5
#define __NR_close	6
............................

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‍ 而在系统调用的具体的 C 代码文件中，需要引入才能生效

#define __LIBRARY__  /* 有它，_syscall1 等才有效。详见 unistd.h */
#include <unistd.h> /* 有它，编译器才能获知自定义的系统调用的编号 */

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然后就是定义函数了

_syscall1(int,close,int,fd)

‍ 在 0.11 环境下编译 C 程序，包含的头文件都在 /usr/include 目录下。因此我们需要加载 hdc 后，修改这个文件。

学到这里，我们可以先做一部分实验内容了

编写应用程序的 iam.c 和 whomi.c。
加载 Linux0.11 的系统盘
添加系统调用号 ‍ iam.c 的代码如下

# define __LIBRARY__
# include <unistd.h>
# include <stdio.h>
# include <errno.h>

_syscall1(int, iam, const char*, name);

int main(int argc, char** argv){
    int wlen = 0;
    if (argc < 1 ){
        printf("not enougth arguments!\n");
    }
    wlen = iam(argv[1]);
    return wlen;
}

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我们逐行来讲解：

首先是第一第二行，这里我们引入了头文件，用宏替换的方式实现 int 0x80 中断
第三行：引入标准输入输出，用于 printf
第 4 行：引入 errno.h 用于输出错误（后面会讲到 errno）
第 6 行：用于宏替换，iam 是系统调用名，我们只需用一个参数，因此用了 syscall1
第 8 ~ 14 行，用于调用系统调用 iam ‍ whoami.c 的代码

# define __LIBRARY__
# include <unistd.h>
# include <stdio.h>
# include <errno.h>

_syscall2(int, whoami,char*,name,unsigned int,size);

int main() {
	char s[30];
	int rlen = 0;
	rlen = whoami(s,30); //这里调用了_syscall2 写的 whoami 函数
	printf("%s\n",s);
	return rlen;
}

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基本和 iam.c 代码结构类似，因为我们要用 2 个参数，因此用了 syscall2。如果不知道为什么是两个参数，参考实验的要求，whoami() 原型为：

  int whoami(char *name, unsigned int size);

我们需要通过 Ubuntu 和 Linux0.11 文件交换的方式，将这两个 c 文件放到 ~/oslab/hdc/usr/root。因为我们到时是需要在 Linux0.11 上面去运行这两个 c 文件实现系统调用 ‍ 第二步是添加系统调用号，因为我们 c 代码里传的系统调用名是 iam，操作系统是不认识的，因此要添加。我们需要去到 Linux0.11 里面的头文件里添加：修改 ~/oslab/usr/include/unistd.h，在系统调用号里的下一行添加如下内容（大概在 132 行处）：

#define __NR_whoami   72
#define __NR_iam      73

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# int 0x80 的中断函数是什么

中断函数的地址，是从 IDT 表取出的，我们看看 int 0x80 的中断函数是哪个：

在内核初始化时，主函数（在 init/main.c 中，Linux 实验环境下是 main()，Windows 下因编译器兼容性问题被换名为 start()）调用了 sched_init() 初始化函数：

void main(void)
{
//    ……
    time_init();
    sched_init();
    buffer_init(buffer_memory_end);
//    ……
}

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sched_init() 在 kernel/sched.c 中定义为：

void sched_init(void)
{
//    ……
    set_system_gate(0x80,&system_call);
}

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‍ set_system_gate 是个宏，在 include/asm/system.h 中定义为：

#define set_system_gate(n,addr) \
    _set_gate(&idt[n],15,3,addr)

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‍ _set_gate 的定义是：

#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))

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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，自动调用函数 system_call。具体细节请参考《注释》的第 4 章。

# int 0x80 中断函数做了什么

接下来看 system_call。该函数纯汇编打造，定义在 kernel/system_call.s 中：


!……
! # 这是系统调用总数。如果增删了系统调用，必须做相应修改
nr_system_calls = 72
!……

.globl system_call
.align 2
system_call:

! # 检查系统调用编号是否在合法范围内
    cmpl \$nr_system_calls-1,%eax
    ja bad_sys_call
    push %ds
    push %es
    push %fs
    pushl %edx
    pushl %ecx

! # push %ebx,%ecx,%edx，是传递给系统调用的参数
    pushl %ebx

! # 让 ds, es 指向 GDT，内核地址空间
    movl $0x10,%edx
    mov %dx,%ds
    mov %dx,%es
    movl $0x17,%edx
! # 让 fs 指向 LDT，用户地址空间
    mov %dx,%fs
    call sys_call_table(,%eax,4)
    pushl %eax
    movl current,%eax
    cmpl $0,state(%eax)
    jne reschedule
    cmpl $0,counter(%eax)
    je reschedule

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system_call 用 .globl 修饰为其他函数可见。

Windows 实验环境下会看到它有一个下划线前缀，这是不同版本编译器的特质决定的，没有实质区别。

关键是第 30 行，是一个 call 语句，也就是这个 system_call 会根据具体的调用号，执行具体的系统调用函数。

call sys_call_table(,%eax,4) 之前是一些压栈保护，修改段选择子为内核段，call sys_call_table(,%eax,4) 之后是看看是否需要重新调度，这些都与本实验没有直接关系，此处只关心 call sys_call_table(,%eax,4) 这一句。

根据汇编寻址方法它实际上是：call sys_call_table + 4 * %eax，其中 eax 中放的是系统调用号，即 __NR_xxxxxx。

显然，sys_call_table 一定是一个函数指针数组的起始地址，它定义在 include/Computer/Linux/sys.h 中：

fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,...

增加实验要求的系统调用，需要在这个函数表中增加两个函数引用 ——sys_iam 和 sys_whoami。当然该函数在 sys_call_table 数组中的位置必须和 __NR_xxxxxx 的值对应上。 ‍ 同时还要仿照此文件中前面各个系统调用的写法，加上：

extern int sys_whoami();
extern int sys_iam();

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不然，编译会出错的。 ‍ 学到这里，我们就可以作如下事情了：

因为我们增加了系统调用函数的数量，需修改系统调用函数的数量
新增 2 个函数引用
然后在 sys_call_table 里添加我们的函数引用

首先我们打开 linux-0.11/kernel/system_call.s，因为我们添加了两个系统调用，所以将 nr_system_calls 加 2，修改系统调用总数（第 61 行，从 72 改为 74）。

nr_system_calls = 74

‍ sys_call_table 是一个函数指针数组的起始地址，它定义在 include/Computer/Linux/sys.h 中。增加实验要求的系统调用，需要在这个函数表中增加两个函数引用 ——sys_iam 和 sys_whoami。当然该函数在 sys_call_table 数组中的位置必须和 __NR_xxxxxx 的值对应上。

同时还要仿照此文件中前面各个系统调用的写法，加上 extern int sys_whoami(); 以及 extern int sys_iam();

extern int sys_whoami();
extern int sys_iam();


fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, sys_fork, sys_read,
sys_write, sys_open, sys_close, sys_waitpid, sys_creat, sys_link,
sys_unlink, sys_execve, sys_chdir, sys_time, sys_mknod, sys_chmod,
sys_chown, sys_break, sys_stat, sys_lseek, sys_getpid, sys_mount,
sys_umount, sys_setuid, sys_getuid, sys_stime, sys_ptrace, sys_alarm,
sys_fstat, sys_pause, sys_utime, sys_stty, sys_gtty, sys_access,
sys_nice, sys_ftime, sys_sync, sys_kill, sys_rename, sys_mkdir,
sys_rmdir, sys_dup, sys_pipe, sys_times, sys_prof, sys_brk, sys_setgid,
sys_getgid, sys_signal, sys_geteuid, sys_getegid, sys_acct, sys_phys,
sys_lock, sys_ioctl, sys_fcntl, sys_mpx, sys_setpgid, sys_ulimit,
sys_uname, sys_umask, sys_chroot, sys_ustat, sys_dup2, sys_getppid,
sys_getpgrp, sys_setsid, sys_sigaction, sys_sgetmask, sys_ssetmask,
sys_setreuid,sys_setregid, sys_whoami,sys_iam};

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# 实现 sys_iam() 和 sys_whoami()

添加系统调用的最后一步，是在内核中实现函数 sys_iam() 和 sys_whoami()。

每个系统调用都有一个 sys_xxxxxx() 与之对应，它们都是我们学习和模仿的好对象。

比如在 fs/open.c 中的 sys_close(int fd)：

int sys_close(unsigned int fd)
{
//    ……
    return (0);
}

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它没有什么特别的，都是实实在在地做 close() 该做的事情。

所以只要自己创建一个文件：kernel/who.c，然后实现两个函数就万事大吉了。当然，我们目前肯定是不知道怎么实现的，我们先新建文件，后面我们会讲到这个系统调用里面怎么做。（主要涉及到用户态和核心态之间传递数据） ‍ 学到这里，我们可以新建 who.c 了。文件内容如下：

#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>


int sys_iam(const char * name)
{ 
	return 0;
}

int sys_whoami(char* name, unsigned int size)
{  

	return 0;
}

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# 修改 Makefile

要想让我们添加的 kernel/who.c 可以和其它 Linux 代码编译链接到一起，必须要修改 Makefile 文件。

Makefile 在代码树中有很多，分别负责不同模块的编译工作。我们要修改的是 kernel/Makefile。需要修改两处。

第一处，在 29 行末尾添加 who.o：

OBJS  = sched.o system_call.o traps.o asm.o fork.o \
        panic.o printk.o vsprintf.o sys.o exit.o \
        signal.o mktime.o who.o

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‍ 第二处，在 50 和 51 行之间插入 who.s who.o: who.c ../include/Computer/Linux/kernel.h ../include/unistd.h：

### Dependencies:
who.s who.o: who.c ../include/Computer/Linux/kernel.h ../include/unistd.h
exit.s exit.o: exit.c ../include/errno.h ../include/signal.h \
  ../include/sys/types.h ../include/sys/wait.h ../include/Computer/Linux/sched.h \
  ../include/Computer/Linux/head.h ../include/Computer/Linux/fs.h ../include/Computer/Linux/mm.h \
  ../include/Computer/Linux/kernel.h ../include/Computer/Linux/tty.h ../include/termios.h \
  ../include/asm/segment.h

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修改了 Makefile 后，在终端中进入 oslab/linux0.11，输入 make all，进行编译。和往常一样 make all 就能自动把 who.c 加入到内核中了。

正确的编译最后一行内容为 sync。

如果编译时提示 who.c 有错误，就说明修改生效了。所以，有意或无意地制造一两个错误也不完全是坏事，至少能证明 Makefile 是对的。请根据错误信息进行修改，实在不行的话建议从头开始重做一遍。 ‍

# 用 printk() 调试内核

oslab 实验环境提供了基于 C 语言和汇编语言的两种调试手段。除此之外，适当地向屏幕输出一些程序运行状态的信息，也是一种很高效、便捷的调试方法，有时甚至是唯一的方法，被称为“printf 法”。

要知道到，printf() 是一个只能在用户模式下执行的函数，而系统调用是在内核模式中运行，所以 printf() 不可用，要用 printk()。

printk() 和 printf() 的接口和功能基本相同，只是代码上有一点点不同。printk() 需要特别处理一下 fs 寄存器，它是专用于用户模式的段寄存器。

看一看 printk 的代码（在 kernel/printk.c 中）就知道了：

int printk(const char *fmt, ...)
{
//    ……
    __asm__("push %%fs\n\t"
            "push %%ds\n\t"
            "pop %%fs\n\t"
            "pushl %0\n\t"
            "pushl $buf\n\t"
            "pushl $0\n\t"
            "call tty_write\n\t"
            "addl $8,%%esp\n\t"
            "popl %0\n\t"
            "pop %%fs"
            ::"r" (i):"ax","cx","dx");
//    ……
}

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显然，printk() 首先 push %fs 保存这个指向用户段的寄存器，在最后 pop %fs 将其恢复，printk() 的核心仍然是调用 tty_write()。查看 printf() 可以看到，它最终也要落实到这个函数上。 ‍ 现在，我们修改 who.c，使其打印一句话：

int sys_iam(const char * name)
{ 
    printk("Hello OS!\n");
	return 0;
}

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然后我们可以编译与运行一下了。让应用程序调用 iam()，从结果可以看出系统调用是否被真的调用到了。然后我们重新编译。 ‍ 可以直接在 Linux 0.11 环境下用 vi 编写（别忘了经常执行“sync”以确保内存缓冲区的数据写入磁盘），也可以在 Ubuntu 或 Windows 下编完后再传到 Linux 0.11 下。无论如何，最终都必须在 Linux 0.11 下编译。编译命令是：

$ gcc -o iam iam.c -Wall

gcc 的 “-Wall” 参数是给出所有的编译警告信息，“-o” 参数指定生成的执行文件名是 iam，用下面命令运行它：

$ ./iam

如果如愿输出了你的信息，就说明你添加的系统调用生效了。否则，就还要继续调试，祝你好运！ ‍

# 在用户态和核心态之间传递数据

接下来，就是本节实验的重点了，实现系统调用。我们先看看其他系统调用怎么做的。我们的 c 是在应用程序所在的地址空间。我们在 syscall 里虽然通过指针，传递了字符串的地址，但此指针参数传递的是应用程序所在地址空间的逻辑地址，在内核中如果直接访问这个地址，访问到的是内核空间中的数据，不会是用户空间的。

所以这里还需要一点儿特殊工作，才能在内核中从用户空间得到数据。 ‍ 要实现的两个系统调用参数中都有字符串指针，非常像 open(char *filename, ……)，所以我们看一下 open() 系统调用是如何处理的。

int open(const char * filename, int flag, ...)
{
//    ……
    __asm__("int $0x80"
            :"=a" (res)
            :"0" (__NR_open),"b" (filename),"c" (flag),
            "d" (va_arg(arg,int)));
//    ……
}

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可以看出，系统调用是用 eax、ebx、ecx、edx 寄存器来传递参数的。

其中 eax 传递了系统调用号，而 ebx、ecx、edx 是用来传递函数的参数的
ebx 对应第一个参数，ecx 对应第二个参数，依此类推。

如 open 所传递的文件名指针是由 ebx 传递的，也即进入内核后，通过 ebx 取出文件名字符串。open 的 ebx 指向的数据在用户空间，而当前执行的是内核空间的代码，如何在用户态和核心态之间传递数据？

接下来我们继续看看 open 的处理：

system_call: // 所有的系统调用都从 system_call 开始
!  ……
   pushl %edx
   pushl %ecx
   pushl %ebx     # ebx,ecx,edx 是传递给系统调用的参数
   movl $0x10,%edx  # 接下来让 ds,es 指向 GDT，指向核心地址空间
   mov %dx,%ds
   mov %dx,%es
   movl $0x17,%edx  # 接下来让 fs 指向的是 LDT，指向用户地址空间
   mov %dx,%fs
   call sys_call_table(,%eax,4)    # 即 call sys_open

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‍ 由上面的代码可以看出，获取用户地址空间（用户数据段）中的数据依靠的就是段寄存器 fs，下面该转到 sys_open 执行了，在 fs/open.c 文件中：

int sys_open(const char * filename,int flag,int mode)  // filename 这些参数从哪里来？
/*是否记得上面的 pushl %edx,    pushl %ecx,    pushl %ebx？
  实际上一个 C 语言函数调用另一个 C 语言函数时，编译时就是将要传递的参数压入栈中（第一个参数最后压，…），然后 call …，
  所以汇编程序调用 C 函数时，需要自己编写这些参数压栈的代码…*/
{
    ……
    if ((i=open_namei(filename,flag,mode,&inode))<0) {
        ……
    }
    ……
}

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它将参数传给了 open_namei()。

再沿着 open_namei() 继续查找，文件名先后又被传给 dir_namei()、get_dir()。

在 get_dir() 中可以看到：

static struct m_inode * get_dir(const char * pathname)
{
    ……
    if ((c=get_fs_byte(pathname))=='/') {
        ……
    }
    ……
}

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处理方法就很显然了：用 get_fs_byte() 获得一个字节的用户空间中的数据。

所以，在实现 iam() 时，调用 get_fs_byte() 即可。

但如何实现 whoami() 呢？即如何实现从核心态拷贝数据到用心态内存空间中呢？

猜一猜，是否有 put_fs_byte()？有！看一看 include/asm/segment.h ：

extern inline unsigned char get_fs_byte(const char * addr)
{
    unsigned register char _v;
    __asm__ ("movb %%fs:%1,%0":"=r" (_v):"m" (*addr));
    return _v;
}

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extern inline void put_fs_byte(char val,char *addr)
{
    __asm__ ("movb %0,%%fs:%1"::"r" (val),"m" (*addr));
}

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他俩以及所有 put_fs_xxx() 和 get_fs_xxx() 都是用户空间和内核空间之间的桥梁，在后面的实验中还要经常用到。

因此，我们可以根据这两个函数，来实现系统调用了。who.c 的代码如下：

#include <asm/segment.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

char msg[24]; //23个字符 +'\0' = 24

int sys_iam(const char * name)
/***
function：将 name 的内容拷贝到 msg, name 的长度不超过23个字符
return：拷贝的字符数。如果 name 的字符个数超过了 23,则返回“ -1”,并置 errno 为 EINVAL。
****/
{ 
	int i;
	//临时存储 输入字符串 操作失败时不影响 msg
	char tmp[30];
	for(i=0; i<30; i++)
	{ 
		//从用户态内存取得数据
		tmp[i] = get_fs_byte(name+i);
		if(tmp[i] == '\0') break;  //字符串结束
	}
	//printk(tmp);
	i=0;
	while(i<30&&tmp[i]!='\0') i++;
	int len = i;
	// int len = strlen(tmp);
	//字符长度大于23个
	if(len > 23)
	{ 
		// printk("String too long!\n");
		return -(EINVAL);  //置 errno 为 EINVAL  返回“-1”  具体见 _syscalln 宏展开
	}
	strcpy(msg,tmp);
	//printk(tmp);
	return i;
}

int sys_whoami(char* name, unsigned int size)
/***
function:将 msg 拷贝到 name 指向的用户地址空间中,确保不会对 name 越界访存(name 的大小由 size 说明)
return: 拷贝的字符数。如果 size 小于需要的空间,则返回“-1”,并置 errno 为 EINVAL。
****/
{  
	//msg 的长度大于 size
	int len = 0;
	for(;msg[len]!='\0';len++);
	if(len > size)
	{ 
		return -(EINVAL);
	}
	int i = 0;
	//把 msg 输出至 name
	for(i=0; i<size; i++)
	{ 
		put_fs_byte(msg[i],name+i);
		if(msg[i] == '\0') break; //字符串结束
	}
	return i;
}

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