LINUX 源码解读:系统调用的设计与实现
总结：1. 内核不是进程（一定要理解，内核是通过硬件的能力来协调用户程序的）
2. 系统调用，可以理解为一个中断处理函数，系统调用的发生就是通过软件中断实现的
如果想了解其具体的实现过程，可以阅读下面的原文
介绍
系统调用是操作系统内核提供的，为了和用户空间上运行的进程进行交互的一组接
口，通过该接口，应用程序可以访问硬件设备和其他操作系统资源。
系统调用主要有三个作用：
a. 为用户空间提供一种硬件的抽象接口。
b. 保证了系统的稳定与安全。
c. 实现多任务和虚拟内存。
对于用户空间的进程，在一般情况下是通过应用编程接口（API）而不是系统调用
来进行编程，有些 API 往往直接封装了系统调用，但这并不意味着两者是一一对应的。
当前最流行的 API 是基于 POSIX 标准的。
原理
本节通过对 getpid()的跟踪，来由外向内的了解 linux 系统调用的原理。
库函数
首先，用户进程调用 glibc 中的 getpid()函数，这个函数在 include/unistd.h 中声明，
其函数原型为：
由于其实现是平台相关的，我们关注的实现在
/glibc/nptl/sysdeps/unix/sysv/linux/getpid.c 中。
extern __pid_t __getpid (void);
其中引发系统调用的是 INTERNAL_SYSCALL 宏，定义在
/glibc/nptl/sysdeps/unix/sysv/linux/i386/sysdep.h 中。
这一段主要是通过汇编来完成的，高亮的两句为重点，前一句将系统调用号放入
eax 寄存器，后一句进行一个中断号为 0x80 的软中断，这里的中断处理程序正是
系统调用处理程序。
系统调用处理程序
这个系统调用处理程序 system_call 定义在/arch/x86/kernel/entry_32.S 中。
首先给出一些宏的说明。
# define INTERNAL_SYSCALL(name, err, nr, args...) \
({ \
register unsigned int resultvar; \
EXTRAVAR_##nr \
asm volatile ( \
LOADARGS_##nr \
"movl %1, %%eax\n\t" \
"int $0x80\n\t" \
RESTOREARGS_##nr \
: "=a" (resultvar) \
: "i" (__NR_##name) ASMFMT_##nr(args) : "memory", "cc"); \
(int) resultvar; })
pid_t
__getpid (void)
{
#ifdef NOT_IN_libc
INTERNAL_SYSCALL_DECL (err);
pid_t result = INTERNAL_SYSCALL (getpid, err, 0);
#else
pid_t result = THREAD_GETMEM (THREAD_SELF, pid);
if (__builtin_expect (result <= 0, 0))
result = really_getpid (result);
#endif
return result;
}
系统调用例程：
#define CFI_STARTPROC .cfi_startproc
//用在每个函数的开始，用于初始化一些内部数据结构
#define CFI_ENDPROC .cfi_endproc
//在函数结束的时候使用与.cfi_startproc 相配套使用
#define CFI_DEF_CFA .cfi_def_cfa //定义计算 CFA 的规则
#define CFI_DEF_CFA_REGISTER .cfi_def_cfa_register
//xx reg ,offset reg 中的值保存在 offset 中，offset 是 CFA 的
#define CFI_DEF_CFA_OFFSET .cfi_def_cfa_offset
//xx offset 修改计算 CFA 的规则，reg 中的值不发生变化，之改变 offset
#define CFI_ADJUST_CFA_OFFSET .cfi_adjust_cfa_offset
//与上面相似但是修改前面一个 offset
#define CFI_OFFSET .cfi_offset
//xx reg ,offset reg 中的值保存在 offset 中，offset 是 CFA 的
#define CFI_REL_OFFSET .cfi_rel_offset
#define CFI_REGISTER .cfi_register
#define CFI_RESTORE .cfi_restore
#define CFI_REMEMBER_STATE .cfi_remember_state
#define CFI_RESTORE_STATE .cfi_restore_state
#define CFI_UNDEFINED .cfi_undefined
系统调用结束例程：
# system call handler stub
ENTRY(system_call)
RING0_INT_FRAME. # can’t unwind into user space anyway
pushl %eax # save orig_eax //保存原来的 eax 中的值
CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4
SAVE_ALL //保存系统寄存器信息
GET_THREAD_INFO(%ebp) //获取 thread_info 结构的地址
# system call tracing in operation / emulation
testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)
//检测 thread_info 中的相关标志看是否有系统跟踪
jnz syscall_trace_entry
//有系统跟踪则先执行系统跟踪的代码，然后转跳回来（这在 syscall_trace_entry 中有写的）
cmpl $(nr_syscalls), %eax
//比较请求的系统调用号和最大系统调用号（验证系统调用号是否有效）
jae syscall_badsys
//如果请求系统调用号无效则退出
syscall_call:
call *sys_call_table(,%eax,4)
//跳转到系统调用表中，系统调用表是 4 字节对齐。
movl %eax,PT_EAX(%esp) # store the return value
syscall_exit:
LOCKDEP_SYS_EXIT
//用于调试使用，只有在开启调试的时候才会去检测系统调用深度
DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY) # make sure we don’t miss an interrupt
# setting need_resched or sigpending
# between sampling and the iret
//#define ENABLE_INTERRUPTS(x) sti
//#define DISABLE_INTERRUPTS(x) cli
TRACE_IRQS_OFF //关闭中断跟踪
movl TI_flags(%ebp), %ecx //
testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx # current->work
//检测是否可以返回用户空间
jne syscall_exit_work
在系统调用处理程序中，在进行了一些初始化之后（初始化内部数据结构，检
查系统调用号是否在范围之内），便开始进行 syscall_call 例程，此例程主要便
是根据存放在 eax 中的系统调用号到系统调用表 sys_call_table 找到相应的系统
调用函数并执行，然后由于系统调用函数的返回值也将通过 eax 传回，所以需
要将返回值保存下来。
另外，在系统调用结束，返回用户空间的时候，系统应当检查当前进程的
need_resched 标志，如果此标志设了，系统将调用 schedule()进行调度，这一
部分便是在 resume_userspace 中做的。
系统调用表
# perform work that needs to be done immediately before resumption
ALIGN
RING0_PTREGS_FRAME # can't unwind into user space anyway
work_pending:
testb $_TIF_NEED_RESCHED, %cl
jz work_notifysig
work_resched:
call schedule
LOCKDEP_SYS_EXIT
DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY) # make sure we don't miss an interrupt
# setting need_resched or sigpending
# between sampling and the iret
TRACE_IRQS_OFF
movl TI_flags(%ebp), %ecx
andl $_TIF_WORK_MASK, %ecx # is there any work to be done other
# than syscall tracing?
jz restore_all
testb $_TIF_NEED_RESCHED, %cl
jnz work_resched
syscall_exit_work:
testl $_TIF_WORK_SYSCALL_EXIT, %ecx
jz work_pending
TRACE_IRQS_ON //开启系统中断跟踪
ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY) # could let syscall_trace_leave() call
# schedule() instead
//允许中断
movl %esp, %eax
call syscall_trace_leave
jmp resume_userspace
END(syscall_exit_work)
在最新的 2.6.39 内核中，系统调用表是在/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S
中定义的。系统调用表规定了每个系统调用的调用函数，并且暗示了其系统调
用号。
同时在/arch/x86/include/asm/unistd_32.h 中定义了所有的系统调用号。
值得一提的是，对于 64 位的机器，linux 提供了一个更好的实现。
/arch/x86/kernel/syscall_64.c
#ifndef _ASM_X86_UNISTD_32_H
#define _ASM_X86_UNISTD_32_H
/*
* This file contains the system call numbers.
*/
#define __NR_restart_syscall 0
#define __NR_exit 1
#define __NR_fork 2
……
#define __NR_getgid 47
……
ENTRY(sys_call_table)
.long sys_restart_syscall /* 0 - old "setup()" system call, used for
restarting */
.long sys_exit
.long ptregs_fork
.long sys_read
.long sys_write
.long sys_open /* 5 */
.long sys_close
.long sys_waitpid
…….
.long sys_getpid /* 20 */
……
/arch/x86/include/asm/unistd_64.h
/* System call table for x86-64. */
#include <linux/linkage.h>
#include <linux/sys.h>
#include <linux/cache.h>
#include <asm/asm-offsets.h>
#define __NO_STUBS
#define __SYSCALL(nr, sym) extern asmlinkage void sym(void) ;
#undef _ASM_X86_UNISTD_64_H
#include <asm/unistd_64.h>
#undef __SYSCALL
#define __SYSCALL(nr, sym) [nr] = sym,
#undef _ASM_X86_UNISTD_64_H
typedef void (*sys_call_ptr_t)(void);
extern void sys_ni_syscall(void);
const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
/*
*Smells like a like a compiler bug -- it doesn't work
*when the & below is removed.
*/
[0 ... __NR_syscall_max] = &sys_ni_syscall,
#include <asm/unistd_64.h>
};
这样一来，我们若要改动系统调用的话就在 unistd_64.h 里面做就可以了。
系统调用函数
系统调用函数便是系统调用处理程序引导运行的函数，以 getpid()系统调用为
例便是 sys_getpid，但是在 linux 源码中并不存在任何对 sys_getpid 这个函数的
直接定义，事实上该函数的定义是通过宏 SYSCALL_DEFINE0 来做的，该宏的定
义位于/include/linux/syscalls.h 中。
#ifndef _ASM_X86_UNISTD_64_H
#define _ASM_X86_UNISTD_64_H
#ifndef __SYSCALL
#define __SYSCALL(a, b)
#endif
/*
* This file contains the system call numbers.
* Note: holes are not allowed.
*/
/* at least 8 syscall per cacheline */
#define __NR_read 0
__SYSCALL(__NR_read, sys_read)
#define __NR_write 1
__SYSCALL(__NR_write, sys_write)
#define __NR_open 2
__SYSCALL(__NR_open, sys_open)
#define __NR_close 3
__SYSCALL(__NR_close, sys_close)
#define __NR_stat 4
__SYSCALL(__NR_stat, sys_newstat)
……
#define __NR_getpid 39
__SYSCALL(__NR_getpid, sys_getpid)
……
由此我们可以看出为什么系统调用函数同一的为“sys_“开头。在 syscall.h 中
SYSCALL_DEFINEx 系列（x=1..6），这是用来处理带参系统调用的。
用 SYSCALL_DEFINE0 定义的 sys_getpid 位于/kernel/timer.c 中。
实现
在了解了系统调用的原理之后，实现一个系统调用就相对简单了。主要有以下几
步
a) 在内核源码树中实现系统调用函数。
注意：函数定义的位置要选好，可以将其写入到/kernel/中的某个 c 文件中，
也可以自己新建一个，但这样就要注意修改 Makefile。
可以直接定义 sys_mysyscall()，也可以通过 SYSCALL_DEFINE0(mysyscall)宏来实
现，若直接定义的话不要忘了加上 asmlinkage 限定词。
b) 在/include/linux/syscalls.h 中加入对 sys_mysyscall()的声明。
c) 在/arch/x86/include/asm/unistd_32.h 和
/arch/x86/kernel/syscall_table_32.S 的末尾分别添加 mysyscall 的系统调用表
项和系统调用号，并将 unistd_32.h 中 NR_syscalls 的值加一。
注意：这是根据 x86 的 32 位机来说的，不同的平台可能稍有不同（比如 x86 64
位机上只需修改/arch/x86/include/asm/unistd_64.h）。
系统调用表项和系统调用号要对应。
d) 重新编译加载内核。
SYSCALL_DEFINE0(getpid)
{
return task_tgid_vnr(current);
}
#define SYSCALL_DEFINE0(sname) \
SYSCALL_TRACE_ENTER_EVENT(_##sname); \
SYSCALL_TRACE_EXIT_EVENT(_##sname); \
static const struct syscall_metadata __used \
__attribute__((__aligned__(4))) \
__attribute__((section("__syscalls_metadata"))) \
__syscall_meta__##sname = { \
.name = "sys_"#sname, \
.nb_args = 0, \
.enter_event = &event_enter__##sname, \
.exit_event = &event_exit__##sname, \
}; \
asmlinkage long sys_##sname(void)
e) 从用户空间访问系统调用。
由于是“野生的“系统调用，所以 glibc 肯定不会提供 API 支持，但是我们可
以直接对系统调用进行访问。 老版本的 linux 中提供了一组宏_syscall()，其中 n
从 0 到 6，代表需要传递给系统调用的参数个数。
但在新版本中这个宏没有了，但是我们可以把这些宏原来的定义直接包括进程
序中，效果还是一样的。
#define __syscall_return(type, res) \
do { \
if ((unsigned long)(res) >= (unsigned long)(-MAX_ERRNO)) { \
errno = -(res); \
res = -1; \
} \
return (type) (res); \
} while (0)
/* XXX - _foo needs to be __foo, while __NR_bar could be _NR_bar. */
#define _syscall0(type,name) \
type name(void) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \
: "=a" (__res) \
: "0" (__NR_##name)); \
__syscall_return(type,__res); \
}
#define _NR_mysyscall 250
_syscall0(int, mysyscall)
Int main()
{
mysyscall();
return 0;
}
#define _NR_mysyscall 250
_syscall0(int, mysyscall)
Int main()
{
mysyscall();
return 0;
}