20135220谈愈敏Blog4_系统调用（上）

系统调用（上）

谈愈敏原创作品转载请注明出处《Linux内核分析》MOOC课程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

用户态、内核态和中断

系统调用是用户通过库函数方式：库函数帮我们把系统调用封装起来。

用户态&内核态（CPU执行级别）

内核态：高级别执行，可以使用特权指令，访问任意的物理地址。对应x86 0级
用户态：低级别执行，代码范围受到限制。对应x86 3级（x86CPU有0-3四个级别）

这种权限级别划分让系统更稳定。

如何区分用户态&内核态？

地址空间是显著标识，cs:eip[代码段选择寄存器：偏移量寄存器]（指令地址）

0xc0000000以上的地址只能在内核态下访问
0x00000000-0xbfffffff两种状态都行

注意：这里指逻辑地址（进程地址空间）而不是物理地址

另：cs寄存器的最低两位，表示当前代码的特权级

中断处理是从用户态进入内核态主要的方式

从用户态进入内核态：必须保存用户态的寄存器上下文
中断/int指令在堆栈上保存寄存器的值：用户态/内核态栈顶地址（ss:esp）、状态字(eflags)、cs:eip值（内核态时指向中断服务程序入口）

系统调用是一种特殊的中断

中断发生后第一件事就是保存现场：

进入中断程序，保存寄存器数据

SAVE_ALL

中断结束前最后一件事就是恢复现场：

退出中断程序，恢复寄存器数据

RESTORE_ALL

iret（pop cs:eip/ss:esp/eflags from kernel stack）

#对应着中断信号或int指令，与发生时CPU动作相反

系统调用概述

系统调用的意义

操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口-系统调用

用户不管硬件编程
提高系统安全性
用户程序可移植

API和系统调用

API：应用编程接口，是一个函数定义
系统调用：通过软中断向内核发出明确请求

Libc库定义的一些API引用了封装例程（唯一目的就是发布系统调用）

一般每个系统调用对应一个封装例程
库用封装例程定义出给用户的API

不是每个API都对应一个特定的系统调用

API可直接提供用户态服务，如数学函数
一个API可调用几个系统调用
不同API可调用同一系统调用

返回值

封装例程返回一个整数，含义依赖与相应系统调用
-1表示内核不能满足进程的要求
Libc定义的errno变量包含特定出错码

应用程序、封装例程、系统调用处理程序、系统调用服务例程之间的关系

xyz是一个函数，即API

应用程序编程接口里封装了一个系统调用，触发一个中断：中断向量0x80对应内核代码系统调用起点system_call

中断服务程序（sys_xyz）

系统调用三层皮：

API（xyz）
中断向量（system_call）
中断服务程序（sys_xyz）

用户态进程调用系统调用时，CPU切换到内核态执行内核函数（Linux中通过执行int $128来执行系统调用，产生向量为128的编程异常）

传参：进程指明需要哪个系统调用，传递系统调用号，使用eax传递

系统调用号将xyz与sys_xyz关联起来
system_call是linux中所有系统调用的入口点，每个系统调用至少有一个参数，即系统调用号。

寄存器传递参数的限制：

每个参数长度不能超过寄存器长度即32位
在系统调用号eax之外，个数不能超过6个

超过6的话：某个寄存器中存储指针，指针会指向一个地址空间，存储参数。

使用库函数API和C代码中嵌入汇编代码触发同一个系统调用

使用库函数API获取系统当前时间

使用time()：

#include<stdio.h>

#include<time.h>

int  main()

{

	time_t tt;

	struct tm *t;//构造一个结构体，将tt转换为这个方便读取时间的

	tt = time(NULL);//time系统调用

	t = localtime(&tt); //类型装换为我们熟知的时间格式

	printf("time:%d:%d:%d:%d:%d:%d\n", t->tm_year+1900, t->tm_mon, t->tm_mday,  t->tm_hour, t->tm_min, t->tm_sec);

	return 0;

}

编译：gcc time.c -o time -m32

使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用获取系统当前时间

#include<stdio.h>

#include<time.h>

int  main()

{

	time_t tt;

	struct tm *t;

	asm volatile(

    	"mov $0,%%ebx\n\t"  //把ebx清零，系统调用传递第一个参数用ebx，这里是NULL

    	"mov $0xd,%%eax\n\t"//把0xd放入eax中，即eax传递系统调用号13——time

    	"int $0x80\n\t"     //内核处理系统调用

    	"mov %%eax,%0\n\t"  //系统调用返回值是在eax中，%0指tt，把返回值放到tt中去。

    	: "=m" (tt)

	);

	t = localtime(&tt);

	printf("time:%d:%d:%d:%d:%d:%d\n", t->tm_year+1900, t->tm_mon, t->tm_mday,  t->tm_hour, t->tm_min, t->tm_sec);

	return 0;

}

这段代码让我们更清楚的知道用户态进程对内核态做了什么

传递了一个系统调用号 - eax
传递了参数 - ebx

实验

选择20号系统调用getpid来获取进程ID

使用库函数API获取系统当前进程ID

代码：

运行：

使用C代码中嵌入汇编代码触发系统调用获取系统当前进程ID

思想：和视频示例中类似，只是传递给eax的系统调用号为0x14，即20号系统调用getpid。

代码：

运行：