深入理解系统调用-40号调用

深入了解系统调用过程——40号系统调用

一、环境描述

操作系统环境：Ubuntu 20.04

Linux镜像版本：Linux_5.34.1

busyBox版本：1.31.1

gcc库版本：9.3.0

系统调用过程理论：

2.1 中断

我们知道，中断是操作系统的一个重要概念，是操作系统并发操作的的基石。下面是中断的大致分类。

外部中断（硬件中断）
内部中断（软件中断）/异常
- 故障（fault）
- 陷阱（trap）【系统调用从用户态进入内核态的方式】

2.2 用户态和内核态

在Linux 中分为用户态和内核态两种运行状态。
对于普通进程，平时都是运行在用户态下，仅拥有基本的运行能力。当进行一些特殊操作，比如说要打开文件(open)然后进行写入(write)、分配内存(malloc)时，就会切换到内核态。
内核态进行相应的检查，如果通过了，则按照进程的要求执行相应的操作，分配相应的资源。
这种机制就被称为系统调用，用户态进程发起调用，切换到内核态，内核态完成，返回用户态继续执行，是用户态唯一主动切换到内核态的合法手段(exception 和 interrupt 是被动切换)。

2.3 系统调用

系统调⽤的库函数就是我们使⽤的操作系统提供的 API（应⽤程序编程接⼝），API 只是函数定义。系统调⽤是通过特定的软件中断（陷阱 trap）向内核发出服务请求，int $0x80 和syscall指令的执⾏就会触发⼀个系统调⽤。C库函数内部使⽤了系统调⽤的封装例程，其主要⽬的是发布系统调⽤，使程序员在写代码时不需要⽤汇编指令和寄存器传递参数来触发系统调⽤。⼀般每个系统调⽤对应⼀个系统调⽤的封装例程，函数库再⽤这些封装例程定义出给程序员调⽤的 API ，这样把系统调⽤终封装成⽅便程序员使⽤的C库函数。

Linux系统调用过程

当⽤户态进程调⽤⼀个系统调⽤时，CPU切换到内核态并开始执⾏system_call（entry_INT80_32或entry_SYSCALL_64）汇编代码，其中根据系统调⽤号调⽤对应的内核处理函数
保存现场，执行中断函数，恢复现场，中断返回（简要来说就是这么些）

Linux系统调用传参（为编写嵌入式汇编做准备）

32位x86体系结构下普通的函数调⽤是通过将参数压栈的⽅式传递的。系统调⽤从⽤户态切换到内核态，在⽤户态和内核态这两种执⾏模式下使⽤的是不同的堆栈，即进程的⽤户态堆栈和进程的内核态堆栈，传递参数⽅法⽆法通过参数压栈的⽅式，⽽是通过寄存器传递参数的方式。
32位x86体系结构下寄存器的⻓度⼤32位。除了EAX⽤于传递系统调⽤号外，参数按顺序赋值给EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP，参数的个数不能超过6个，即上述6个寄存器。如果超过6个就把某⼀个寄存器作为指针，指向内存，就可以通过内存来传递更多的参数。
64位x86体系结构下普通的函数调⽤和系统调⽤都是通过寄存器传递参数，RDI、RSI、RDX、RCX、R8、R9这6个寄存器⽤作函数/系统调⽤参数传递，依次对应第 1 参数到第 6 个参数。

实验操作步骤：（以调用40号系统调用为例）

查询系统调用号
学号440，通过查阅Linux源代码中的arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 可以找到40号sendfile系统调用对应的内核处理函数为__x64_sys_sendfile64.

sendfile 相关介绍：
sendfile系统调用在内核版本2.1中被引入，目的是简化通过网络在两个本地文件之间进行的数据传输过程。sendfile系统调用的引入，不仅减少了数据复制，还减少了上下文切换的次数。
sendfile(socket, file, len);

安装开发工具及下载内核源代码

# 安装相关依赖
sudo apt install build-essential
sudo apt install qemu # install QEMU 
sudo apt install libncurses5-dev bison fiex libssl-dev libelf-dev
# 下载解压linux内核源码
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/ linux-5.4.1.tar.xz 
xz -d linux-5.4.1.tar.xz 
tar -xvf linux-5.4.1.tar cd linux-5.4.1

配置内核选项make defconﬁg # Default conﬁguration is based on 'x86_64_defconﬁg'

make menuconﬁg  
# 打开debug相关选项
Kernel hacking  ---> 
    Compile-time checks and compiler options  ---> 
       [*] Compile the kernel with debug info 
       [*]   Provide GDB scripts for kernel debugging
 [*] Kernel debugging 
# 关闭KASLR，否则会导致打断点失败
Processor type and features ----> 
   [] Randomize the address of the kernel image (KASLR)
# 关闭网络选项中超级服务器选项
Networking until-->
   [] ineted

配置相关：

编译和运行内核

make -j$(nproc) 
# nproc gives the number of CPU cores/threads available
# 测试内核是否正常加载运⾏，因为没有⽂件系统终会kernel panic 
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage  
# 此时还不能正常运行

制作根⽂件系统

# 下载 busybox源代码解压，解压完成后，配置编译，并安装。
pwd=~

axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2 
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2 
cd busybox-1.31.1

make menuconﬁg 
#记得要编译成静态链接，不⽤动态链接库。
Settings  --->
    [*] Build static binary (no shared libs) 
#然后编译安装，默认会安装到源码⽬录下的 _install ⽬录中。 
make -j$(nproc) && make install

#pwd = ~
mkdir rootfs
cd rootfs
cp ../busybox-1.31.1/_install/* ./ -rf
mkdir dev proc sys home 
sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

准备init脚本⽂件放在根⽂件系统跟⽬录下（rootfs/init），init⽂件内容如下。记得给init脚本添加可执⾏权限

#!/bin/sh
 mount -t proc none /proc 
 mount -t sysfs none /sys
 echo "Wellcome YangZhenOS!"
 echo "--------------------" 
 cd home
 /bin/sh 

chmod +x init

打包成内存根⽂件系统镜像

#打包成内存根⽂件系统镜像 
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz 
#测试挂载根⽂件系统，看内核启动完成后是否执⾏init脚本 
# cd.. 退到rootfs.cpio.gz所在的目录
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

运行结果

3.3 汇编改写手动触发系统调用

在 rootfs/home 目录下新建文件 sendfile-asm.c

我们通过写一个小程序触发这一系统调用。使用内联汇编小程序sendfile-asm.c如下：

int main()
{
    asm volatile(
    "movl $0x28,%eax\n\t" //使⽤EAX传递系统调⽤号40
    "syscall\n\t" //触发系统调⽤ 
    );
    return 0;
}

gcc编译（这里采用静态编译）
gcc -o sendfile-asm sendfile-asm.c -static
重新打包成内存根文件系统镜像。
ﬁnd . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz
启动虚拟机
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s
观察结果

在我们的构建系统的根目录下可发现可执行文件sendfile-asm的可执行文件

3.4 通过GDB进行调试

连接进行调试

接上步启动虚拟机，此时虚拟机会暂停在启动界面。
在另一个terminal中开启gdb调试 gdb vmlinux。连接进行调试，target remote:1234。

#pwd=~/linux_5.4.1

gdb vmlinux

target remote:1234

为40号系统调用打断点b __x64_sys_sendfile64,通过c继续运行，此时在qemu虚拟机运行可执行文件sendfile。就可发现该文件确实触发了系统调用。即我们通过汇编实现了系统调用。

3.5 系统调用入口的保存现场和恢复现场

通过bt可观察当前堆栈信息
- 第一层/ 顶层 __x64_sys_sendfile 系统调用函数所在
- 第二层 do_syscall_64 获取系统调用号，前往系统调用函数
- 第三层 entry_syscall_64 中断入口，做保存线程工作，调用 do_syscall_64
- 第四层 OS相关