Linux内核源码分析 - 系统调用
本文以x86_64平台为例，分析linux下的系统调用是如何被执行的。
假设目标系统调用是write，其对应的内核源码为：
// fs/read_write.c
SYSCALL_DEFINE3(write, unsigned int, fd, const char __user *, buf,
size_t, count)
{
return ksys_write(fd, buf, count);
}这里主要看下SYSCALL_DEFINE3这个宏定义：
// include/linux/syscalls.h
#define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)
#define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)
#define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)
#define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)
#define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)
#define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)
...
#define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...) \
...
__SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)该宏又引用了__SYSCALL_DEFINEx，继续看下：
// arch/x86/include/asm/syscall_wrapper.h
#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...) \
asmlinkage long __x64_sys##name(const struct pt_regs *regs); \
... \
static long __se_sys##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__)); \
static inline long __do_sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__));\
asmlinkage long __x64_sys##name(const struct pt_regs *regs) \
{ \
return __se_sys##name(SC_X86_64_REGS_TO_ARGS(x,__VA_ARGS__));\
} \
... \
static long __se_sys##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__)) \
{ \
long ret = __do_sys##name(__MAP(x,__SC_CAST,__VA_ARGS__));\
... \
return ret; \
} \
static inline long __do_sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__))该宏的参数中，x为3，name为_write，...代表的__VA_ARGS__为unsigned int, fd, const char __user *, buf, size_t, count。
接着，在宏的定义中，先声明了三个函数，分别为__x64_sys_write、_se_sys_write、__do_sys_write，紧接着，定义了__x64_sys_write和_se_sys_write的实现，__x64_sys_write内调用_se_sys_write，_se_sys_write内调用__do_sys_write。
__do_sys_write只是一个方法头，它和最开始的write系统调用的方法体构成完整的方法。
由上可以看到，三个方法中，只有__x64_sys_write方法没有static，即只有它是外部可调用的，所以我们看下哪里引用了__x64_sys_write。
// arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl
#
# 64-bit system call numbers and entry vectors
#
# The format is:
# <number> <abi> <name> <entry point>
#
# The __x64_sys_*() stubs are created on-the-fly for sys_*() system calls
#
# The abi is "common", "64" or "x32" for this file.
#
0 common read __x64_sys_read
1 common write __x64_sys_write
...我们会在一个非c文件中，找到了对__x64_sys_write方法的引用，但这个文件又是怎么被使用的呢？
根据arch/x86/entry/syscalls/Makefile我们可以知道，是有对应的shell脚本，根据上面的文件来生成c版的头文件，比如下面两个。
kernel内部使用的：
// arch/x86/include/generated/asm/syscalls_64.h
#ifdef CONFIG_X86
__SYSCALL_64(0, __x64_sys_read, )
#else /* CONFIG_UML */
__SYSCALL_64(0, sys_read, )
#endif
#ifdef CONFIG_X86
__SYSCALL_64(1, __x64_sys_write, )
#else /* CONFIG_UML */
__SYSCALL_64(1, sys_write, )
#endif
...给用户使用的：
// arch/x86/include/generated/uapi/asm/unistd_64.h
#define __NR_read 0
#define __NR_write 1
...那生成的这两个头文件又是给谁使用的呢？看下下面这个文件：
// arch/x86/entry/syscall_64.c
#define __SYSCALL_64(nr, sym, qual) [nr] = sym,
asmlinkage const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
/*
* Smells like a compiler bug -- it doesn't work
* when the & below is removed.
*/
[0 ... __NR_syscall_max] = &sys_ni_syscall,
#include <asm/syscalls_64.h>
};该文件中定义了一个const的数组变量sys_call_table，数组下标为系统调用的编号，值为该编号对应的系统调用方法。
最开始整个数组都初始化为sys_ni_syscall，该方法内会返回错误码ENOSYS，表示对应的方法未实现。
接着用#include <asm/syscalls_64.h>的方式再初始化存在的系统调用。
该include的文件就是上面生成的arch/x86/include/generated/asm/syscalls_64.h，syscalls_64.h文件里调用__SYSCALL_64，为对应的系统下标赋值。
最后，sys_call_table[1] = __x64_sys_write。
到这里，我们基本可以猜测，肯定有个地方是根据系统调用的编号，到数组sys_call_table中找到对应方法，然后调用。
让我们来看下这段代码在哪里
// arch/x86/entry/common.c
__visible void do_syscall_64(unsigned long nr, struct pt_regs *regs)
{
...
if (likely(nr < NR_syscalls)) {
nr = array_index_nospec(nr, NR_syscalls);
regs->ax = sys_call_table[nr](regs);
}
...
}上面的方法就是我们要找的方法。
我们再看下这个方法是在哪里被调用的。
// arch/x86/entry/entry_64.S
ENTRY(entry_SYSCALL_64)
...
call do_syscall_64 /* returns with IRQs disabled */
...上面的就是对应的汇编代码了，这里为了简单，省略掉了该汇编方法的其他部分。
那这段汇编代码又是在哪里调用的呢？
// arch/x86/kernel/cpu/common.c
void syscall_init(void)
{
...
wrmsrl(MSR_LSTAR, (unsigned long)entry_SYSCALL_64);
...
}在上面的方法中，我们可以看到，汇编代码entry_SYSCALL_64被写到了MSR_LSTAR表示的寄存器中。
该寄存器的作用就是，当我们执行syscall机器指令时，MSR_LSTAR寄存器中存放的对应方法就会被执行，即在user space，我们只要执行syscall机器指令，给它对应的系统调用编号和参数，kernel space里对应的系统调用就会被执行了。
有兴趣的可以分析并执行下下面的汇编代码，好好体会下整个系统调用的流程。
# ----------------------------------------------------------------------------------------
# Writes "Hello, World" to the console using only system calls. Runs on 64-bit Linux only.
# To assemble and run:
#
# gcc -c hello.s && ld hello.o && ./a.out
#
# or
#
# gcc -nostdlib hello.s && ./a.out
# ----------------------------------------------------------------------------------------
.global _start
.text
_start:
# write(1, message, 13)
mov $1, %rax # system call 1 is write
mov $1, %rdi # file handle 1 is stdout
mov $message, %rsi # address of string to output
mov $13, %rdx # number of bytes
syscall # invoke operating system to do the write
# exit(0)
mov $60, %rax # system call 60 is exit
xor %rdi, %rdi # we want return code 0
syscall # invoke operating system to exit
message:
.ascii "Hello, world\n"到这里，系统调用对应的kernel space部分就已经分析完毕了，下篇文章我们结合对应的c源码，看下user space的部分是如何实现的。
完。
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