跟踪分析Linux内核5.0系统调用处理过程

学号076
本实验来源 https://github.com/mengning/linuxkernel/

实验环境

Ubuntu虚拟机:运行环境，本次使用Parallels Desktop安装的Ubuntu18

QEMU:本次使用的模拟器，运行内核代码

gdb断点调试工

实验过程

1.编译内核

wget https://cdn.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 //得到内核文件

cd linux-5.0.1

make menuconfig

sudo apt-get install libncurses5-dev libncursesw5-dev

make menuconfig

2.制作img文件

在linux-5.0.1目录下：

mkdir rootfs

git clone https://github.com/mengning/menu.git

cd menu

gcc -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static

cd ../rootfs

cp ../menu/init ./

find . | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img

3.虚拟机加载内核

make

qemu-system-i386 -kernel bzImage -initrd rootfs.img

4.跟踪调试内核启动

qemu-system-i386 -kernel bzImage -initrd rootfs.img -S -s -append nokaslrcd linux-5.0.1

cd linux-5.0.1

gdb

（gdb）file linux-5.0.1/vmlinux

（gdb）target remote:1234

（gdb）break start_kernel

  (gdb) c

5.测试用例

我的学号后2位是76,对应的系统函数是getslimit(int resource, struct rlimit *rptr),用于获得进程能够创建的各种系统资源的限制使用量。函数的每一次调用都会制定一个资源以及一个指向下列结构的指针，其结构如下：

struct rlimit{  

    rlim_t rlim_cur;   //soft limit: current limit  

    rlim_t rlim_max;  //hard limit: maximum value for rlim_cur  

}  

resource参数取下列值之一： 

采用系统API和汇编两种方式调用该函数，在桌面上建立两个程序：glimit.c和glimitasm.c,如下：

glimit.c:

#include <stdio.h>  
#include <sys/resource.h>  
int main(void){  
   struct rlimit memoryL;
   getrlimit(RLIMIT_AS,&memoryL);
   printf("%lu,%lu\r\n",(unsigned long)memoryL.rlim_cur,(unsigned long)memoryL.rlim_max);
}

 glimitasm.c

#include <stdio.h>  
#include <sys/resource.h>  
int main(void){  
        int i=0;
        int resource=RLIMIT_AS;
        struct rlimit memoryL;
        asm volatile(
        "mov $0,%%ebx\n\t"
        "mov $0x4c,%%eax\n\t"  /* 调用76号系统调用，即getrlimit*/
        "mov %1,%%ebx\n\t"
        "int $0x80\n\t"
        "mov %%eax,%0\n\t"
        :"=m"(i)
        :"c"(resource),"d"(&memoryL)
        );
        printf("%lu,%lu\r\n",(unsigned long)memoryL.rlim_cur,(unsigned long)memoryL.rlim_max);

}

 分别编译运行，结果如下：

两个程序都可以获得进程可用内存最大字节数。

6.实验总结

1）系统调用可以通过编程语言的API和汇编代码实现

2）调用是一个用户态->内核态->用户态的过程

3）当调用一个系统调用时，CPU从用户态切换到内核态并开始执行一个system_call和系统调用内核函数。在Linux中通过执行int 0x80来触发系统调用，内核为每个系统调用分配一个系统调用号，用户态进程必须明确指明系统调用号，需要使用EAX寄存器来传递。

4）系统调用可能需要参数，但是不能通过像用户态进程函数中将参数压栈的方式传递，因为用户态和内核态有不同的堆栈，必须通过寄存器的方式传递参数。

5）普通情况下应用程序通过应用编程接口API，而不是直接通过系统调用来编程。

6）操作系统通常是通过中断从用户态切换到内核态。中断就是一个硬件或软件请求，要求CPU暂停当前的工作，去处理更重要的事情。

比方。在x86机器上能够通过int指令进行软件中断。而在磁盘完毕读写操作后会向CPU发起硬件中断。

中断有两个重要的属性，中断号和中断处理程序。中断号用来标识不同的中断，不同的中断具有不同的中断处理程序。在操作系统内核中维护着一个中断向量表（Interrupt Vector Table）。这个数组存储了全部中断处理程序的地址，而中断号就是对应中断在中断向量表中的偏移量。

一般地，系统调用都是通过软件中断实现的，x86系统上的软件中断由int $0x80指令产生，而128号异常处理程序就是系统调用处理程序system_call()。