《Linux内核设计与实现》读书笔记（五）- 系统调用
主要内容：
- 什么是系统调用
- Linux上的系统调用实现原理
- 一个简单的系统调用的实现
1. 什么是系统调用
简单来说，系统调用就是用户程序和硬件设备之间的桥梁。
用户程序在需要的时候，通过系统调用来使用硬件设备。
系统调用的存在，有以下重要的意义:
1）用户程序通过系统调用来使用硬件，而不用关心具体的硬件设备，这样大大简化了用户程序的开发。
比如：用户程序通过write()系统调用就可以将数据写入文件，而不必关心文件是在磁盘上还是软盘上，或者其他存储上。
2）系统调用使得用户程序有更好的可移植性。
只要操作系统提供的系统调用接口相同，用户程序就可在不用修改的情况下，从一个系统迁移到另一个操作系统。
3）系统调用使得内核能更好的管理用户程序，增强了系统的稳定性。
因为系统调用是内核实现的，内核通过系统调用来控制开放什么功能及什么权限给用户程序。
这样可以避免用户程序不正确的使用硬件设备，从而破坏了其他程序。
4）系统调用有效的分离了用户程序和内核的开发。
用户程序只需关心系统调用API，通过这些API来开发自己的应用，不用关心API的具体实现。
内核则只要关心系统调用API的实现，而不必管它们是被如何调用的。
用户程序，系统调用，内核，硬件设备的调用关系如下图：
2. Linux上的系统调用实现原理
要想实现系统调用，主要实现以下几个方面：
- 通知内核调用一个哪个系统调用
- 用户程序把系统调用的参数传递给内核
- 用户程序获取内核返回的系统调用返回值
下面看看Linux是如何实现上面3个功能的。
2.1 通知内核调用一个哪个系统调用
每个系统调用都有一个系统调用号，系统调用发生时，内核就是根据传入的系统调用号来知道是哪个系统调用的。
在x86架构中，用户空间将系统调用号是放在eax中的，系统调用处理程序通过eax取得系统调用号。
系统调用号定义在内核代码：arch/alpha/include/asm/unistd.h 中，可以看出linux的系统调用不是很多。
2.2 用户程序把系统调用的参数传递给内核
系统调用的参数也是通过寄存器传给内核的，在x86系统上，系统调用的前5个参数放在ebx,ecx,edx,esi和edi中，如果参数多的话，还需要用个单独的寄存器存放指向所有参数在用户空间地址的指针。
一般的系统调用都是通过C库(最常用的是glibc库)来访问的，Linux内核提供一个从用户程序直接访问系统调用的方法。
参见内核代码：arch/cris/include/arch-v10/arch/unistd.h
里面定义了6个宏，分别可以调用参数个数为0～6的系统调用
_syscall0(type,name)
_syscall1(type,name,type1,arg1)
_syscall2(type,name,type1,arg1,type2,arg2)
_syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3)
_syscall4(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4)
_syscall5(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5)
_syscall6(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3,type4,arg4,type5,arg5,type6,arg6)
超过6个参数的系统调用很罕见，所以这里只定义了6个。
2.3 用户程序获取内核返回的系统调用返回值
获取系统调用的返回值也是通过寄存器，在x86系统上，返回值放在eax中。
3. 一个简单的系统调用的实现
了解了Linux上系统调用的原理，下面就可以自己来实现一个简单的系统调用。
3.1 环境准备
为了不破坏现有系统，我是用虚拟机来实验的。
主机：fedora16 x86_64系统 + kvm(一种虚拟技术，就像virtualbox，vmware等)
虚拟机: 也是安装fedora16 x86_64系统(通过virt-manager很容易安装一个系统)
下载内核源码：www.kernel.org 下载最新的就行
3.2 修改内核源码中的相应文件
主要修改以下文件：
arch/x86/ia32/ia32entry.S
arch/x86/include/asm/unistd_32.h
arch/x86/include/asm/unistd_64.h
arch/x86/kernel/syscall_table_32.S
include/asm-generic/unistd.h
include/linux/syscalls.h
kernel/sys.c
我在sys.c中追加了2个函数:sys_foo和sys_bar
如果是在x86_64的内核中增加一个系统调用，只需修改 arch/x86/include/asm/unistd_64.h，比如sys_bar。
修改内容参见下面的diff文件：
diff -r new/arch/x86/ia32/ia32entry.S old/arch/x86/ia32/ia32entry.S 855d854 < .quad sys_foo diff -r new/arch/x86/include/asm/unistd_32.h old/arch/x86/include/asm/unistd_32.h 357d356 < #define __NR_foo 349 361c360 < #define NR_syscalls 350 --- > #define NR_syscalls 349 diff -r new/arch/x86/include/asm/unistd_64.h old/arch/x86/include/asm/unistd_64.h 689,692d688 < #define __NR_foo 312 < __SYSCALL(__NR_foo, sys_foo) < #define __NR_bar 313 < __SYSCALL(__NR_bar, sys_bar) diff -r new/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S old/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S 351d350 < .long sys_foo diff -r new/include/asm-generic/unistd.h old/include/asm-generic/unistd.h 694,695d693 < #define __NR_foo 272 < __SYSCALL(__NR_foo, sys_foo) 698c696 < #define __NR_syscalls 273 --- > #define __NR_syscalls 272 diff -r new/kernel/sys.c old/kernel/sys.c 1920,1928d1919 < < asmlinkage long sys_foo(void) < { < return 1112223334444555; < } < asmlinkage long sys_bar(void) < { < return 1234567890; < }
3.3 编译内核
#cd linux-3.2.28 #make menuconfig (选择要编译参数，如果不熟悉内核编译，用默认选项即可) #make all (这一步真的时间很长......) #make modules_install #make install (这一步会把新的内核加到启动项中) #reboot (重启系统进入新的内核)
3.4 编写调用的系统调用的代码
#include <unistd.h> #include <sys/syscall.h> #include <string.h> #include <stdio.h> #include <errno.h> #define __NR_foo 312 #define __NR_bar 313 int main() { printf ("result foo is %ld\n", syscall(__NR_foo)); printf("%s\n", strerror(errno)); printf ("result bar is %ld\n", syscall(__NR_bar)); printf("%s\n", strerror(errno)); return 0; }
编译运行上面的代码：
#gcc test.c -o test #./test
运行结果如下：
result foo is 1112223334444555 Success result bar is 1234567890 Success
