跟踪分析Linux内核5.0系统调用处理过程

学号尾号：155

基于ubuntu kylin 18.10虚拟机

原创作品转载请注明出处https://github.com/mengning/linuxkernel/

---

实验准备

下载和编译内核

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.0.tar.xz # 下载内核

# 解压文件
xz -d linux-5.0.1.tar.xz
tar -xvf linux-5.0.tar.xz
cd linux-5.0

# 编译内核
make i386_defconfig

此处出现报错：

执行以下命令

apt-get install flex

再次执行

make i386_defconfig

出现报错

执行以下命令

apt-get install bison

再次执行

make i386_defconfig
make

出现报错

执行以下命令

apt-get install libssl-dev

再次执行

make

等待一段时间后，控制台会输出如下信息，表示编译完成

制作根文件系统

cd ..
mkdir rootfs
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static

此处出现问题：

apt install gcc-multilib
gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static

再次出现问题

apt-get install gcc-4.8 gcc-4.8-multilib g++-4.8 g++-4.8-multilib
gcc -pthread -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static

成功了

cd ../rootfs
cp ../menu/init ./
find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img

制作成功！

启动MenuOS

cd ..
qemu -kernel linux-5.0/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

启动成功！

跟踪系统调用

我的学号尾号是155，在查阅系统调用表后，发现155号系统调用是

#define __NR_sched_getparam 155

函数的原型是

#include <sched.h> 

//该函数用于根据进程号获取进程的调度参数，pid用于指定要获取调度参数的进程号，为0时表示获取当前进程的调度参数
//param用于存储获得的进程调度参数
//返回0时表示成功获得进程的调度参数，返回-1时表示出错，并设置errno
//errno有两种，EPERM：调用进程没有足够的权限来获取调度参数。ESRCH：进程pid不存在。
int sched_getparam（pid_t pid，struct sched_param * param）;

struct sched_param
{
	int32_t  sched_priority;//获取调度参数时，此成员将反映分配给线程或进程的优先级
	int32_t  sched_curpriority;//获取调度参数时，此成员将设置为线程或进程当前运行的优先级。这是内核在进行调度决策时使用的值。
	union
	{
		int32_t  reserved[8];
		struct
		{
			int32_t  __ss_low_priority;
			int32_t  __ss_max_repl;
			struct timespec     __ss_repl_period;
			struct timespec     __ss_init_budget;
		}           __ss;
	}           __ss_un;
}

#define sched_ss_low_priority   __ss_un.__ss.__ss_low_priority
#define sched_ss_max_repl       __ss_un.__ss.__ss_max_repl
#define sched_ss_repl_period    __ss_un.__ss.__ss_repl_period
#define sched_ss_init_budget    __ss_un.__ss.__ss_init_budget

对于该系统调用，我们可以写出如下代码对其进行测试

//在menu文件夹中的test.c文件中加入如下代码
#include <sched.h> 
int test_get_param()
{
    struct sched_param param;
    sched_getparam(0,&param);
    
    printf("The original priority of the process is %d\n",param.sched_priority);
}

int main()
{
    PrintMenuOS();
    SetPrompt("MenuOS>>");
    MenuConfig("version","MenuOS V1.0(Based on Linux 3.18.6)",NULL);
    MenuConfig("quit","Quit from MenuOS",Quit);
    MenuConfig("time","Show System Time",Time);
    MenuConfig("time-asm","Show System Time(asm)",TimeAsm);
    MenuConfig("get_param","根据进程号获取进程的优先级",test_get_param);
    ExecuteMenu();
}

重新制作根文件系统

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

使用gdb跟踪调试内核

cd ..
qemu -kernel linux-5.0/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -S -s -append nokaslr

此时启动的qemu窗口是stopped的状态

另开一个shell窗口

gdb
file vmlinux # target remote之前加载符号表
target remote:1234 # 建立gdb和gdbserver之间的连接，按c让qemu上的Linux系统继续运行
b sys_sched_getparam # 打上断点

在gdb窗口中输入

c

在qemu窗口中输入

get_param

在gdb窗口中输入

c

---

系统调用分析

可以看到，sched_getparam系统调用的流程如下：

1. 用户调用sched_getparam接口
2. 将系统调用号155放入eax寄存器
3. 执行int $0x80指令产生一个向量为128的编程异常，进入内核态
4. 保护现场
5. 根据系统调用号，查找系统调用表，找到中断处理程序的地址并执行中断处理程序
6. 恢复现场，进入用户态

由此可以看出，用户态进程是无法访问内核的内存空间的，只有内核态进程才能访问内核。因此当执行系统调用时，必须要先将进程转换成内核态才能执行系统调用，执行完毕后再恢复到用户态。