linux内核分析第四周-使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用
本周作业的主要内容就是采用gcc嵌入汇编的方式调用system call。
系统调用其实就是操作系统提供的服务。我们平时编写的程序，如果仅仅是数值计算，那么所有的过程都是在用户态完成的，但是我们想将变量打印在屏幕上，就必须调用printf，而printf这个函数内部就使用了write这个系统调用。
操作系统之所以以system call的方式提供服务，是因为如果程序员能够任意操作OS所有的资源，那么将无比危险，所以OS设计出了内核态和用户态。 我们平时编程都是在用户态下，如果我们想要调用系统资源，那么就必须采用系统调用，陷入内核态，才能达到目的。
下面我们采用几个例子，按照由浅入深的方式一一说明。
getpid 简单示例
getpid的函数很简单，就是获取当前进程的进程号。 使用C调用如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
tt = getpid();
printf("%u\n", tt);
return 0;
}
使用内嵌汇编调用如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
asm volatile(
"mov $0x14, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m" (tt)
);
printf("%u\n", tt);
return 0;
}
内嵌汇编在语法上要求先声明输出参数，然后声明输出参数值。上述代码中getpid不需要参数，只需要一个输出值。 对于内嵌汇编调用system call：
.系统调用号放在eax中。
.系统调用的参数，按照顺序分别放在ebx、ecx、edx、esi、edi和ebp中
.返回值使用eax传递上面的代码之所以使用中断，是因为中断（包括异常）是进入到内核态的唯一方式。 所以我们使用int 0x80触发中断，然后中断处理程序保存现场，我们的进程陷入内核态。
其实，使用系统调用还有一种方式：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
tt = syscall(SYS_getpid);
printf("%u\n", tt);
return 0;
}这种方式其实内部也是采用的内嵌汇编。
linux中有个函数叫做gettid，这个函数用来取出当前线程的pid（Linux中的线程是使用进程模拟实现的，所以每个线程都有一个全局唯一的pid），可以查到它的声明，但是使用时，编译报错，提示函数找不到，因为libc中没有提供这个函数。此时我们就可以借助这种方式，使用syscall(SYS_gettid)即可。
fork 使用
fork函数同样不需要参数，只有输出，这里给出两个版本：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
tt = fork();
if (tt == 0)
{
printf("子进程\n");
}
else
{
printf("父进程\n");
}
printf("%u\n", tt);
return 0;
}fork这个函数有个特点，就是调用一次返回两次，原因在于它复制出了一个子进程，执行同样地代码段。
区分子进程和父进程的手段就是检查返回值。
下面是使用汇编的版本
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
pid_t _fork()
{
pid_t tt;
asm volatile(
"mov $0x2, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m" (tt)
);
return tt;
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
tt = _fork();
if (tt == 0)
{
printf("child\n");
}
else
{
printf("parent\n");
}
printf("%u\n", tt);
return 0;
}read
上面的getpid和fork都不需要参数，下面我们看下read函数如何使用汇编调用。 read的函数声明如下：
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);read函数需要三个参数。 下面我们看下它的过程，这里为了减少篇幅，不再贴出完整的main函数。
ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t count)
{
int ret;
asm volatile(
"mov %3, %%edx\n\t" // count->edx
"mov %2, %%ecx\n\t" // buf->ecx
"mov %1, %%ebx\n\t" // fd->ebx
"mov $0x3, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m"(ret)
:"b"(fd), "c"(buf), "d"(count)
);
return ret;
}上面提过，参数保存在ebx、ecx等寄存器中，这里的三个参数就是放在这三个寄存器中。最后一行的
:"b"(fd), "c"(buf), "d"(count)就是声明，fd使用的是ebx，buf使用ecx传递，count使用edx传递。
使用timerfd的定时器
下面是一个较复杂的示例，它使用了timerfd系列的定时器，timefd是Linux2.6之后加入的新的系统调用。它将定时器的触发采用fd可读这个事件来表现。所以对于timerfd，我们可以使用epoll，将它和socket的fd一同监视。
C源码如下：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/timerfd.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do { \
perror(m);\
exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int main(int argc, const char *argv[])
{
//创建定时器的fd
int timerfd = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
if(timerfd == -1)
ERR_EXIT("timerfd_create");
//开启定时器，并设置时间
struct itimerspec howlong;
memset(&howlong, 0, sizeof howlong);
howlong.it_value.tv_sec = 4; //初始时间
howlong.it_interval.tv_sec = 1; //间隔时间
if(timerfd_settime(timerfd, 0, &howlong, NULL) == -1)
ERR_EXIT("timerfd_settime");
int ret;
char buf[1024];
while((ret = read(timerfd, buf, sizeof buf)) > 0)
{
printf("foobar ....\n");
}
close(timerfd);
return 0;
}这段代码主要是注册了一个定时器的fd，然后设置初始化时间和事件触发间隔，然后每隔几秒钟，该定时器fd变为可读。
这段代码的运行效果是：先运行4s，然后每隔1s打印出一行"foobar ..."
下面是使用汇编的版本：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/timerfd.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do { \
perror(m);\
exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int _timerfd_create(int clockid, int flags);
int _timerfd_settime(int fd, int flags,
const struct itimerspec *new_value,
struct itimerspec *old_value);
ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t count);
int _close(int fd);
int main(int argc, const char *argv[])
{
//创建定时器的fd
int timerfd = _timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
if(timerfd == -1)
ERR_EXIT("timerfd_create");
//开启定时器，并设置时间
struct itimerspec howlong;
memset(&howlong, 0, sizeof howlong);
howlong.it_value.tv_sec = 2; //初始时间
howlong.it_interval.tv_sec = 1; //间隔时间
if(_timerfd_settime(timerfd, 0, &howlong, NULL) == -1)
ERR_EXIT("timerfd_settime");
int ret;
char buf[1024];
while((ret = _read