跟踪分析Linux内核5.0系统调用处理过程
093原创作品转载请注明出处 + https://github.com/mengning/linuxkernel/
实验内容
- 下载并编译Linux5.0内核
- 选择系统调用号进行跟踪
实验环境
- Ubuntu 18.04
- VMware workstation Pro 14
实验步骤
1.编译Linux5.0内核
-
- cd mykernel/
- wget https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.0.1.tar.xz
- xz -d linux-5.0.1.tar.xz
- tar -xvf linux-5.0.1.tar
- cd linux-5.0.1
- make menuconfig
- make -j 8
2.制作根目录
-
- mkdir rootfs
- git clone https://github.com/mengning/menu.git
- cd menu
- sudo apt install gcc-multilib
- gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static
- cd ../rootfs
- cp ../menu/init ./
- find . | cpio -o -Hnewc | gzip -9 > ../rootfs.img
3.启动MenuOs
-
- qemu-system-i386 -kernel bzImage -initrd rootfs.img
4.跟踪系统调用
首先查看自己学号对应的系统调用号。我的是ftruncate函数
ftruncate函数目的是修改文件的大小，
函数原型： int truncate(const char *path,off_t length)
参数： path为文件名，length为为文件的最终大小。off_t为长整型，long int。
(1) 最终大小比原来大，向后扩展。
(2) 最终大小比原来小，删除后边的部分。
在menu里面的test.c中加入下面两个函数，并在主函数更新。
重新编译menu中的test.c文件，开启qemu，输入update，与update-asm函数，执行成功。
输入update命令，执行Update函数，修改文件大小为500字节
输入update-asm命令，执行UpdateAsm函数，修改文件大小为200字节
接下来使用gdb逐步跟踪系统调用
-
-
-
qemu-system-i386 -kernel linux-5.0.1/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s -append nokaslr
- file vmlinux
- target remote:1234
- b sys_ftruncate
- c
-
-
5.分析
通过上图可以发现，在使用int 0x80中断之后，CPU会运行arch/x86/entry/entry_32.S中的指令
分析entry_32.S代码
1 #这段代码就是系统调用处理的过程,其它的中断过程也是与此类似 2 #系统调用就是一个特殊的中断，也存在保护现场和回复现场 3 ENTRY(system_call) #这是0x80之后的下一条指令 4 RING0_INT_FRAME # can't unwind into user space anyway 5 ASM_CLAC 6 pushl_cfi %eax # save orig_eax 7 SAVE_ALL #保护现场 8 GET_THREAD_INFO(%ebp) 9 # system call tracing in operation / emulation 10 testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp) 11 jnz syscall_trace_entry 12 cmpl $(NR_syscalls), %eax 13 jae syscall_badsys 14 syscall_call: 15 # 调用了系统调用处理函数，实际的系统调用服务程序 16 call *sys_call_table(,%eax,4)#定义的系统调用的表，eax传递过来的就是系统调用号，在例子中就是调用的systime 17 syscall_after_call: 18 movl %eax,PT_EAX(%esp) # store the return value 19 syscall_exit: 20 LOCKDEP_SYS_EXIT 21 DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY) # make sure we don't miss an interrupt 22 # setting need_resched or sigpending 23 # between sampling and the iret 24 TRACE_IRQS_OFF 25 movl TI_flags(%ebp), %ecx 26 testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx # current->work 27 jne syscall_exit_work #退出之前,syscall_exit_work 28 #进入到syscall_exit_work里边有一个进程调度时机 29 30 restore_all: 31 TRACE_IRQS_IRET 32 restore_all_notrace: #返回到用户态 33 #ifdef CONFIG_X86_ESPFIX32 34 movl PT_EFLAGS(%esp), %eax # mix EFLAGS, SS and CS 35 # Warning: PT_OLDSS(%esp) contains the wrong/random values if we 36 # are returning to the kernel. 37 # See comments in process.c:copy_thread() for details. 38 movb PT_OLDSS(%esp), %ah 39 movb PT_CS(%esp), %al 40 andl $(X86_EFLAGS_VM | (SEGMENT_TI_MASK << 8) | SEGMENT_RPL_MASK), %eax 41 cmpl $((SEGMENT_LDT << 8) | USER_RPL), %eax 42 CFI_REMEMBER_STATE 43 je ldt_ss # returning to user-space with LDT SS 44 #end 46 RESTORE_REGS 4 # skip orig_eax/error_code 47 irq_return: 48 INTERRUPT_RETURN #iret（宏），系统调用过程到这里结束
实验总结
Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用。用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。从某种角度来看，系统调用和普通的函数调用非常相似。区别仅仅在于，系统调用由操作系统核心提供，运行于核心态；而普通的函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。
系统调用是怎么工作的？
其原理是进程先用适当的值填充寄存器，然后调用一个特殊的指令，这个指令会跳到一个事先定义的内核中的一个位置。在Intel CPU中，这个由中断0x80实现。硬件知道一旦你跳到这个位置，你就不是在限制模式下运行的用户，而是作为操作系统的内核--由用户态转为内核态。
进程可以跳转到的内核位置叫做sysem_call。这个过程检查系统调用号，这个号码告诉内核进程请求哪种服务。然后，它查看系统调用表(sys_call_table)找到所调用的内核函数入口地址。接着，就调用函数，等返回后，做一些系统检查，最后返回到进程（或到其他进程，如果这个进程时间用尽）。
进程号是由eax寄存器存储的，参数一般是由ebx、ecx、edx、esl、edl、ebp来存储的。
