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深入理解系统调用

2020-05-27 22:57:00 阅读：245 来源： 互联网

标签：kernel 调用 5.4 系统理解深入 linux 64

一、实验目标

(1)、找一个系统调用，系统调用号为学号最后2位相同的系统调用

(2)、通过汇编指令触发该系统调用

(3)、通过gdb跟踪该系统调用的内核处理过程

(4)、重点阅读分析系统调用入口的保存现场、恢复现场和系统调用返回，以及重点关注系统调用过程中内核堆栈状态的变化

二、实验过程

(1).内核源码下载及编译

采用的linux内核为5.4.34版本：

sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/
linux-5.4.34.tar.xz
xz -d linux-5.4.34.tar.xz
tar -xvf linux-5.4.34.tar
cd linux-5.4.34
make defconfig # Default configuration is based on 'x86_64_defconfig'

使用文本菜单进行选项设置

make menuconﬁg

此时可能出现以下错误：

此时需要调整窗口终端大小即可，或者直接将其最大化，如下图所示：

按下述指令对窗口进行配置：

# 打开debug相关选项
Kernel hacking --->
Compile-time checks and compiler options --->
 [*] Compile the kernel with debug info
 [*] Provide GDB scripts for kernel debugging
[*] Kernel debugging
 # 关闭KASLR，否则会导致打断点失败
Processor type and features ---->
[] Randomize the address of the kernel image (KASLR)

内核编译：

make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads available
# 测试⼀下内核能不能正常加载运⾏，因为没有⽂件系统终会kernel panic 
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage  #  不能正常运行

(2).制作根文件系统

相关代码如下：

axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2 
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2 
cd busybox-1.31.1
 
make menuconﬁg 
#记得要编译成静态链接，不⽤动态链接库。
Settings  --->
    [*] Build static binary (no shared libs) 
#然后编译安装，默认会安装到源码⽬录下的 _install ⽬录中。 
make -j$(nproc) && make install

制作内核根文件系统镜像：

mkdir rootfs
cd rootfs
cp ../busybox-1.31.1/_install/* ./ -rf
mkdir dev proc sys home 
sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/

准备init脚本⽂件放在根⽂件系统根⽬录下（rootfs/init），添加如下内容到init⽂件：

#!/bin/sh
mount -t proc none /proc 
mount -t sysfs none /sys
echo "Welcome My OS!"
echo "-------------------"
cd home
/bin/sh

给init脚本增加可执行权限

chmod +x init

输入下面代码查看qemu运行情况：

#打包成内存根⽂件系统镜像 (rootfs下运行）
ﬁnd . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz 
#测试挂载根⽂件系统，看内核启动完成后是否执⾏init脚本 
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

如下图所示：

(3).触发系统调用

本人学号后两位为：16，故通过查看打开/linux-5.4.34/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl可知16号调用为ioctl,代码入口为：_64_sys_iotcl，

使用下面的代码触发系统调用：

//sys16.c
int main()
{
　　asm volatile(
     //使⽤EAX传递系统调⽤号16
　　"movl $0x10,%eax\n\t"
    //触发系统调用
　　"syscall\n\t" 
   );
　　return 0;
}

对该程序进行静态编译

gcc sys16.c -o syscaall16 -static

重新打包内存跟文件系统镜像

ﬁnd . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

启动虚拟机

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s

在linux-5.4.34目录下启动gdb调试

gdb vmlinux
target remote:1234
b __64x_sys_msgrcv
c

获取16号系统调用的返回信息

使用bt命令查看栈信息

(4).系统调用的保存和恢复现场

syscall指令触发系统调用，通过MSR寄存器找到了中断函数入口，系统调用入口为entry_SYSCALL_64，其中使用了swapgs这一方法来快照式的保存现场，加快了系统调用，随后对一些相关寄存器进行压栈操作。

在do_syscall_64函数中，在ax寄存器中获取到系统调用号所对应的入口，跳转执行。

随后便执行16号系统调用相关内容,调用结束后准备恢复现场

三、总结

从系统调用的整个过程来看，主要有以下几个阶段：

（1）用户态程序，发生syscall，触发系统调用；

（2）进入内核态，完成内核初始化后，调用entry_SYSCALL_64 ()

（3）完成现场的保存，将关键寄存器压栈，并从CPU内部的MSR寄存器来查找系统调⽤处理⼊⼝，更改CPU的指令指针（eip/rip）到系统调⽤处理⼊⼝，调用do_syscall_64()

（4）do_syscall_64()函数中得到系统调用号，调用相关的函数gettimeofday()

（5）调用结束后，保存现场和恢复现场时的CPU寄存器也通过CPU内部的存储器快速保存和恢复

（6）系统调用返回，回到用户态程序

标签：kernel,调用,5.4,系统,理解,深入,linux,64
来源： https://www.cnblogs.com/ustcsselee/p/12956874.html

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