2018-2019-1 20189201 《LInux内核原理与分析》第五周作业

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一、书本第四章知识总结【系统调用的三层机制（上）】

• 无参数系统调用
  依次通过c语言和内嵌汇编的c语言实现time（）函数中封装的系统调用。
• 用户态、内核态和中断
  • 用户态：在低的执行级别下，代码能够掌控的范围有所限制，只能访问部分内存。
    -内核态：在高的执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理内存。
    -中断：从用户态进入内核态的主要方式。
    -中断类别
    • 硬件中断：在用户态进程执行时，硬件中断信号到来，进入内核态，就会执行这个中断对应的中断服务例程。
    • 软中断：在用户态进程执行过程中，调用了一个系统调用（一种特殊中断），进入内核态。
• 寄存器上下文切换
  当用户态切换到内核态时，就要把用户态寄存器上下文保存起来，同时把内核态的寄存器的值放到当前CPU中。
  int指令触发中断机制会在堆栈上保存一些寄存器的值，会保存用户态栈顶地址、当时的状态字、当时的CS:EIP的值。
  同时会将内核态的栈顶地址、内核态的状态字放入CPU对应的寄存器，并且CS:EIP寄存器的值会指向中断处理程序的
  入口，对于系统调用来说是指向system_call。int指令或中断信号发生之后，第一件事就是保存现场，进入中断处理程
  序，执行SAVE_ALL。中断处理程序结束后，中断处理结束前的最后一件事是恢复现场，执行RESTORE_ALL。
• API和系统调用关系
  • API：应用程序编程接口，只是函数定义。
  • 系统调用：是通过软中断向内核发出了中断请求，int指令的执行就会触发一个中断请求。
    libc函数库定义的一些API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。一个API可能只对应一个系统调用，亦可能内部由多个系统调用实现，
    一个系统调用也可能被多个API调用。
  • Intel x86 CPU定义了4种不同的执行级别0、1、2、3，数字越小特权越高。Linux系统采用了其中的0、3两个特权级别。
• 寄存器相关知识点
  • 系统调用通过系统调用号进行区分，通过EAX寄存器传递。
  • 普通函数调用是通过将参数压栈的方式传递的，而系统调用因为在用户态和内核态下使用不同的堆栈，无法通过参数压
    栈的方式进行传递，而是通过比较特殊的寄存器传递参数的方式进行。
  • 参数按照顺序赋值给EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP，参数的个数不能超过6个，否则的话全部参数应该依次放在
    一块连续的内存区域里，同时在寄存器EBX中保存指向该内存区域的指针。

二、实验部分【使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码两种方式使用同一个系统调用】

（1）代码（系统调用write）

int write(int fd,const char *buf, off_t count)//fd为文件描述符，buf为写缓冲区指针，count为写入字节数

#include<stdio.h>
int main()
{
    char* c = "this is sys_write";
    write(0,c,18);
    return 0;
}

（2）嵌入汇编代码调用系统调用

include<stdio.h>
int main()
{
    char* c = "this is sys_write";
    asm volatile (
        "mov $0,%%ebx\n\t"//对应fd
        "mov %0,%%ecx\n\t"//对应buf，也就是c
        "mov $18,%%edx\n\t"//对应count
        "mov $0x4,%%eax\n\t"//系统调用号为4
        "int $0x80\n\t"
        :
        :"r"(c)
    );
    return 0;
}
或
int main()
{
    char* c="this is sys_write";
    asm volatile(
        "mov $0,%%ebx\n\t"//对应fd
        "mov $18,%%edx\n\t"//对应count
        "mov $0x4,%%eax\n\t"//系统调用号为4
        "int $0x80\n\t"
        :
        :"c"(c)//直接将输入存入ecx
}

三、实验收获

1. 小总结

这一节主要通过实验，了解了系统如何进行系统调用的，加深了对内核态和用户态的理解。操作系统平常工作都在
用户态当中，当用户态需要操作一些内核数据时，才会通过系统调用进入内核态，而这些系统调用都是操作系统本
身实现了，用户无法修改。可以看出通过这种方式，操作系统实现了对关键数据的保护，从而维护了系统的高效稳定运行。

2. link分为两种类型：

• 硬连接指通过索引节点来进行连接。在Linux的文件系统中，保存在磁盘分区中的文件不管是什么类型都给它分配一个编号，
  称为索引节点号(Inode Index)。在Linux中，多个文件名指向同一索引节点是存在的。一般这种连接就是硬连接。硬连接的作用
  是允许一个文件拥有多个有效路径名，这样用户就可以建立硬连接到重要文件，以防止“误删”的功能。其原因如上所述，因为对
  应该目录的索引节点有一个以上的连接。只删除一个连接并不影响索引节点本身和其它的连接，只有当最后一个连接被删除后，
  文件的数据块及目录的连接才会被释放。也就是说，文件真正删除的条件是与之相关的所有硬连接文件均被删除。
• 另外一种连接称之为符号连接（Symbolic Link），也叫软连接。软链接文件有类似于Windows的快捷方式。它实际上是一个特
  殊的文件。在符号连接中，文件实际上是一个文本文件，其中包含的有另一文件的位置信息。