2017-2018-1 20179209《Linux内核原理与分析》第五周作业

一.实验：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

环境说明

实验环境为 Ubuntu16.10 和 实验楼环境。

选择39号系统调用实验。39号系统调用为mkdir系统调用。

实验步骤

有关mkdir系统调用的具体介绍见 linux api 函数——mkdir

1.用库函数实现mkdir系统调用

代码很简单：

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
void main(){
        char *p = "./testdir";        //定义char类型指针，说明要创建的目录名称。“./”指在当前目录，其实可以不写
        mkdir(p,S_IRWXU);       //调用mkdir的api函数，第二个参数为所建目录的权限

代码很糙，由于主要目的是实现mkdir系统调用，所以一些跟判断有关的代码我就省略了，直奔主题。



编译运行，实验结果如下：



成功！

2.用嵌入式汇编的C代码实现mkdir系统调用

代码如下：

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

void main(){
//      char *p = "./testdir";
        int intr;
        mode_t mode = S_IRWXU | S_IRWXG | S_IROTH | S_IXOTH;        //定义mode
        asm volatile(
                "int $0x80;\n\t"                                      //执行80号中断，换成intel下汇编类似于 int 80h；
                : "=a" (intr)                                            //因为mkdir有一个int类型的返回值，所以必须定义一个int来接收
                : "a" (39),"b" ("testdir"),"c" (mode)        //eax值为39；ebx值为“testdir”；ecx值为mode；这里的三个寄存器的值都是用来传递参数的，eax传递系统调用号，ebx传递mkdir函数的第一个参数，ecx传递mkdir函数的第二个参数。
                : "memory"
                );
}

编译：



从上图中大家可以看出，这个程序其实我是调试了很多遍之后才编译成功的，主要问题就是集中在嵌入式汇编asm和volatile标题处的问题，这里“_”个数要求非常严格，而且对程序的编译有很大的影响。起初调试时报错是格式问题，在确定格式正确后我只能把问题归结与开头，在我删除volatile时果然又报了不同的错，但程序还是没有编译通过，所以我上网查阅了资料。发现asm和volatile前后各两个下划线，除此外还可以都不加下划线。

运行：



我们可以看到，运行后程序没报错，而且也没有生成我们想要的testdir这个文件夹，很显然失败了。。。起初我怕是因为权限问题，专门用系统权限执行后还是没有成功。不过我并没有放弃，把代码拷到实验楼环境下编译运行：





成功了！

相同的代码，编译运行后却得到不同的结果，那只可能跟实验环境有关了。

对比两个实验环境：



猜测可能是我的Ubuntu版本有些旧吧。知道原因的人也可以留言交流。

结果分析

对于上述实验结果的分析，我觉得一张图足以说明它们之间的调用过程与关系。



这种汇编相当简单，直接把所需要的参数写进输入参数，不用mov指令赋值，所以汇编代码看起来非常简单。一般来说，需要传入的参数不会多于6个，因为通用寄存器共6个，一旦参数个数超过6个就需要申请一块内存地址专门存放参数。

二.中断

定义：

中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

分类：

• 硬中断
• 可屏蔽中断：这类中断可以通过中断屏蔽寄存器中设定位掩码来关闭。
• 不可屏蔽中断：无法通过中断处理程序来关闭或推迟的中断，如时钟中断。
• 软中断

它是一条CPU指令，用以自陷一个中断。由于软中断指令通常要运行一个切换CPU至内核态的子例程，它常被用作实现系统调用。

中断与异常：

中断与异常有所区别，异常在产生时必须考虑与处理时钟同步，因为异常只能在一条指令执行结束后发生，不可能执行一半发生异常，由于与时钟同步，所以异常被称为同步中断。而中断却不是，它可以在任何时候发生。

异常往往是操作系统不期望发生的事情；相反，操作系统因为有中断的存在，执行效率和正确性方面都有很大的提升。

上半部与下半部：

刚看到这个概念时很陌生，最起码在中断这一块，这样的叫法是第一次看到。

中断服务程序一般都是在中断请求关闭的条件下执行的，以避免嵌套而使中断控制复杂化。但是，中断是一个随机事件，它随时会到来，如果关中断的时间太长，CPU就不能及时响应其他的中断请求，从而造成中断的丢失。因此，Linux内核的目标就是尽可能快的处理完中断请求，尽其所能把更多的处理向后推迟。

从上半部与下半部产生的原因我们可以总结如下：

• 上半部必须以最短的时间来执行，因为执行上半部时是关中断状态，无法响应其他中断；
• 下半部运行时处于开中断状态，所以一些耗时的任务需要放在下半部执行。

下半部机制：

所有用于实现将工作推后执行的内核机制都被称作“下半部机制”。目前流行的有如下三种：

• 软中断
• tasklet
• 工作队列
  
  具体详见中断下半部机制

总结

系统调用是为了让用户程序安全地访问底层资源，它是用户空间访问内核的唯一手段；

系统调用由操作系统内核提供，运行于内核态。

Linux的系统调用通过int 0x80实现，用系统调用号来区分入口函数。

系统调用中的中断，一般是指软中断。

如果进程上下文和一个下半部共享数据，在访问这些数据之前，需要进制下半部的处理并取得锁的使用权。这里的锁指对共享数据的加锁。

如梭中断上下文和一个下半部共享数据，在访问共享数据之前，需要进制中断并得到锁的使用权。