Linux系統調用------通過time系統調用理解系統調用的執行過程

2019-11-06 06:41:58

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王雪原創作品轉載請注明出處《linux內核分析》MOOC課程 http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、重點知識（1）用戶棧與內核棧內核棧：存在于內核空間，當進程在內核棧里運行時，CPU棧頂指針寄存器里面的內容是內核棧空間地址，使用內核棧。用戶棧：存在于用戶空間，當進程在用戶棧里運行時，CPU棧頂指針寄存器里面的內容是用戶?？臻g地址，使用用戶棧。（2）用戶態與內核態用戶態：用戶在非特權模式下，訪問會資源會受到限制。內核棧：用戶在特權模式下，可隨意訪問資源為什么要區分用戶態與內核態？因為在操作系統中有很多很重要的代碼要保證安全性，不可被任意修改，區別用戶態和內核態可訪問的空間，保證了系統的安全，防止因不當操作而造成的系統崩潰。在Linux中有0和3兩種運行級別：0表示內核態，3表示用戶態（3）利用地址空間區別內核態和用戶態只有內核態可以訪問0xc0000000以上的地址空間，0x00000000到0xbfffffff在兩種狀態下都可以訪問（4）內核態與用戶態的切換當進程因為硬件中斷或者系統調用，而從用戶態轉變為內核態時，進程所使用的堆棧要從用戶棧變為內核棧，此時進程進入內核態后，首先，在內核態上保存用戶態堆棧上的地址，設置堆棧指針寄存器的內容為當前進程的內核棧地址，這樣就完成了用戶棧向內核棧的切換。當進程從內核態恢復到用戶態時，將內核態保存的用戶態的堆棧地址恢復到棧指針寄存器，這樣就完成了內核態向用戶態的切換。（5）系統調用 1.系統調用與API（應用程序編程接口）區別 API只是一個函數定義，而系統調用通過軟中斷向內核發出一個明確的請求。不是每個API都對應一個特定的系統調用。首先，API可能直接提供用戶態的服務(比如一些數學函數)，其次，一個單獨的API可能調用幾個系統調用，不同的API可能調用了同一個系統調用。 2.系統調用的優點系統調用為用戶提供了調用與硬件設備等進行交互的接口，可以將用戶從底層的硬件編程中解放出來，提高系統的安全性，是用戶程序具有更好的可移植性。 3.系統調用時執行的操作 1）在進程的內核態堆棧中保存大多數寄存器的內容(即保存恢復進程到用戶態執行所需要的上下文) 2）根據用戶態傳遞的系統調用號，確定系統調用的服務例程 3）調用名為系統調用服務例程的相應的C函數來處理系統調用 4）從系統調用返回 4.系統調用的過程描述這里寫圖片描述簡單描述系統調用的執行過程：在用戶態下執行某個API函數，在API函數中有一個int 0x80的中斷向量，觸發后，由用戶態進入內核態，保存現場，查找system_ call表找到相應的系統調用號，找到后執行相應的系統調用服務例程，執行過后返回，恢復現場，回到用戶態。這里寫圖片描述可以發現：用戶模式下的API函數xyz()中在執行時觸發了中斷向量int 0x80,隨后進入了內核態，保存現場，執行相應的服務例程。 中斷向量0x80與system_call連接起來，system _call包含了很多系統調用，通過系統號找到特定的服務例程。系統調用號將xyz與sys _xyz關聯起來。 5.系統調用的參數傳遞（從用戶態向內核態傳遞參數）規則：（1）每個參數的殘毒不能超過寄存器的長度（2）在系統調用號（eax）外，參數的個數不能超過6個（ebx,ecx,edx,esi,edi,ebp）,如果超過6個，將某一個寄存器作為一個指針指向一塊內存，到達內核棧后，通過這塊內存來傳遞參數二、實驗內容 1.簡單的系統調用time，獲得系統時間

//This PRogram tests syscall call such as time#include <stdio.h>#include <time.h>int main(){ time_t tt; struct tm *t; tt = time(NULL);//time系統調用多的當前系統時間 t = localtime(&tt); //將tt這個size_t的整數轉換成tm結構體中的變量 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;}

實驗執行結果：gcc …… -m32，64位的系統按32位編譯程序這里寫圖片描述 2.利用內嵌匯編代碼深層了解系統調用過程

#include <stdio.h>#include <time.h>//this program :use asm to call timeint main(){ time_t tt; struct tm *t; asm volatile( "mov $0,%%ebx/n/t" //ebx用來傳遞系統調用的第一個參數，這里傳遞的是NULL代表當前時間 "mov $0xd,%%eax/n/t" //time系統調用的系統調用號是13（d），用eax來傳遞系統調用號 "int $0x80/n/t" //觸發系統調用 "mov %%eax,%0/n/t" //將系統調用的返回值存儲到%0（tt變量中） :"=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;}

實驗執行結果這里寫圖片描述在這段內嵌匯編代碼中，模仿了time系統調用的功能，在編寫代碼時我們用ebx來傳遞系統調用的第一個參數，用eax來傳遞系統調用號，通過int $0x80產生系統中斷，執行系統調用號為13的系統調用，將返回的結果保存下來，這就完成了一次系統調用的模擬。三、實驗總結今天的實驗簡單的了解了系統調用的基本知識，包括內核態與用戶態、內核棧與用戶棧以及在系統調用過程中，如何從內核態過渡到用戶態等。形象化的記憶將系統調用可以看成三層皮：API函數，system_ call,sys _xxx()系統調用服務例程。要清楚系統調用的執行過程。