linux系统调用实现代码分析【转】

转自：http://linux.chinaunix.net/doc/kernel/2001-07-30/637.shtml

启动早就读完，现在为了写笔记再从启动之后粗略的大体读一遍，基本就是几个大模块：启动和初始化，中断信号，
进程及调度，内存管理，文件系统，网络，驱动和模块等，我主要也从这几块入手。由于启动部分在start_kernel之
前牵涉到大量的x86体系相关的汇编知识，需要大量的时间，于是我跳过，先把握整个系统的大体脉络，然后做二次，
三次分析。网络部分的分析，我会从4.4BSD-Lite的代码中分析。 

系统调用： 

先说一下系统调用，奇怪的很，所有的读核资料都没有把系统调用单独提出来说，我觉得还是比较重要的。用户和系
统内核通信的关键的枢纽，不过分吧，呵呵。仔细研究一下它的机制，准备花三天时间，手头有些书和资料，帮助我
理解。 

概念：（明晰一下基本概念）
系统调用发生在用户进程，通过一些特殊的函数（如open）来请求内核提供服务，这时，用户进程挂起，内核验证用
户请求，尝试之行，并把结果反馈给用户进程，接着用户进程重新启动。这些机制在一般的编程书里都有，我就是来
通过源代码的实现来讨论这种机制。  

具体实现代码：arch/i386/kernel/entry.S（内核版本2.2.14）
从entry.S的第171行，就是system_call开始，-248行代码贴出来，分析以注释形式： 

ENTRY(system_call)　　 \\所有系统调用的入口点，参数system_call是所希望激活的系统调用的数
pushl %eax # 保存orig_eax，这个值就是希望系统调用数
SAVE_ALL　　
/*SAVE_ALL宏定义如下：
#define SAVE_ALL \
cld; \
pushl %es; \
pushl %ds; \
pushl %eax; \
pushl %ebp; \
pushl %edi; \
pushl %esi; \
pushl %edx; \
pushl %ecx; \
pushl %ebx; \
movl $(__KERNEL_DS),%edx; \
movl %dx,%ds; \
movl %dx,%es;
　他的作用是先把所有寄存器的值压栈，然后在system_call返回之前使用RESTORE_ALL把栈从栈中弹出，在这其中
system_call可以根据需要子去使用寄存器的值。任何它调用的c函数都可以从栈中查找到所希望的参数，因为
SAVE_ALL已经把所有寄存器的值都压入栈中了 */
--------------------------------------------------------------------------------------------
GET_CURRENT(%ebx)　　 /*利用GET_CURRENT宏从ebx中取得当前任务指针，GET_CURRENT宏定义如下：　
　　　　#define GET_CURRENT(reg) \
movl %esp, reg; \
andl $-8192, reg;这段代码应该很好理解，把esp指移到reg变量，减去8129得到当前任务地址*/
--------------------------------------------------------------------------------------------
cmpl $(NR_syscalls),%eax　 /*察看保存在eax中的系统调用数是否超过最大数（常数NR_syscalls代表系统调用的
最大数）如果确实超过了，请看下面一句:jae badsys，程序则跳转到badsys。*/
jae badsys
testb $0x20,flags(%ebx) # PF_TRACESYS/*检查系统调用是否正在被跟踪*/
jne tracesys　　/*如果系统调用被跟踪，则程序跳转到tracesys*/
call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,)/*调用系统函数*/
/*SYMBOL_NAME宏不处理任何工作，只是简单的被文本参数（也就是系统调用名）所替换，所以可以忽略
sys_call_table也定义在entry.S（373行）中，是一张由指向实现各种系统调用的内核函数的函数指针组成的表：
　　　　ENTRY(sys_call_table)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* 0　-　old "setup()" system call*/
.long SYMBOL_NAME(sys_exit)
.long SYMBOL_NAME(sys_fork)
.long SYMBOL_NAME(sys_read)
.long SYMBOL_NAME(sys_write)
.long SYMBOL_NAME(sys_open) /* 5 */
.long SYMBOL_NAME(sys_close)
.long SYMBOL_NAME(sys_waitpid)
.long SYMBOL_NAME(sys_creat)
.long SYMBOL_NAME(sys_link)
.long SYMBOL_NAME(sys_unlink) /* 10 */
.long SYMBOL_NAME(sys_execve)
.long SYMBOL_NAME(sys_chdir)
.long SYMBOL_NAME(sys_time)
.long SYMBOL_NAME(sys_mknod)
.long SYMBOL_NAME(sys_chmod) /* 15 */
.long SYMBOL_NAME(sys_lchown)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* old break syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_stat)
.long SYMBOL_NAME(sys_lseek)
.long SYMBOL_NAME(sys_getpid) /* 20 */
.long SYMBOL_NAME(sys_mount)
.long SYMBOL_NAME(sys_oldumount)
.long SYMBOL_NAME(sys_setuid)
.long SYMBOL_NAME(sys_getuid)
.long SYMBOL_NAME(sys_stime) /* 25 */
.long SYMBOL_NAME(sys_ptrace)
.long SYMBOL_NAME(sys_alarm)
.long SYMBOL_NAME(sys_fstat)
.long SYMBOL_NAME(sys_pause)
.long SYMBOL_NAME(sys_utime) /* 30 */
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* old stty syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* old gtty syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_access)
.long SYMBOL_NAME(sys_nice)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* 35 */ /* old ftime syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_sync)
.long SYMBOL_NAME(sys_kill)
.long SYMBOL_NAME(sys_rename)
.long SYMBOL_NAME(sys_mkdir)
.long SYMBOL_NAME(sys_rmdir) /* 40 */
.long SYMBOL_NAME(sys_dup)
.long SYMBOL_NAME(sys_pipe)
.long SYMBOL_NAME(sys_times)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* old prof syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_brk) /* 45 */
.long SYMBOL_NAME(sys_setgid)
.long SYMBOL_NAME(sys_getgid)
.long SYMBOL_NAME(sys_signal)
.long SYMBOL_NAME(sys_geteuid)
.long SYMBOL_NAME(sys_getegid) /* 50 */
.long SYMBOL_NAME(sys_acct)
.long SYMBOL_NAME(sys_umount) /* recycled never used phys() */
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* old lock syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_ioctl)
.long SYMBOL_NAME(sys_fcntl) /* 55 */
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* old mpx syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_setpgid)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* old ulimit syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_olduname)
.long SYMBOL_NAME(sys_umask) /* 60 */
.long SYMBOL_NAME(sys_chroot)
.long SYMBOL_NAME(sys_ustat)
.long SYMBOL_NAME(sys_dup2)
.long SYMBOL_NAME(sys_getppid)
.long SYMBOL_NAME(sys_getpgrp) /* 65 */
.long SYMBOL_NAME(sys_setsid)
.long SYMBOL_NAME(sys_sigaction)
.long SYMBOL_NAME(sys_sgetmask)
.long SYMBOL_NAME(sys_ssetmask)
.long SYMBOL_NAME(sys_setreuid) /* 70 */
.long SYMBOL_NAME(sys_setregid)
.long SYMBOL_NAME(sys_sigsuspend)
.long SYMBOL_NAME(sys_sigpending)
.long SYMBOL_NAME(sys_sethostname)
.long SYMBOL_NAME(sys_setrlimit) /* 75 */
.long SYMBOL_NAME(sys_getrlimit)
.long SYMBOL_NAME(sys_getrusage)
.long SYMBOL_NAME(sys_gettimeofday)
.long SYMBOL_NAME(sys_settimeofday)
.long SYMBOL_NAME(sys_getgroups) /* 80 */
.long SYMBOL_NAME(sys_setgroups)
.long SYMBOL_NAME(old_select)
.long SYMBOL_NAME(sys_symlink)
.long SYMBOL_NAME(sys_lstat)
.long SYMBOL_NAME(sys_readlink) /* 85 */
.long SYMBOL_NAME(sys_uselib)
.long SYMBOL_NAME(sys_swapon)
.long SYMBOL_NAME(sys_reboot)
.long SYMBOL_NAME(old_readdir)
.long SYMBOL_NAME(old_mmap) /* 90 */
.long SYMBOL_NAME(sys_munmap)
.long SYMBOL_NAME(sys_truncate)
.long SYMBOL_NAME(sys_ftruncate)
.long SYMBOL_NAME(sys_fchmod)
.long SYMBOL_NAME(sys_fchown) /* 95 */
.long SYMBOL_NAME(sys_getpriority)
.long SYMBOL_NAME(sys_setpriority)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* old profil syscall holder */
.long SYMBOL_NAME(sys_statfs)
.long SYMBOL_NAME(sys_fstatfs) /* 100 */
.long SYMBOL_NAME(sys_ioperm)
.long SYMBOL_NAME(sys_socketcall)
.long SYMBOL_NAME(sys_syslog)
.long SYMBOL_NAME(sys_setitimer)
.long SYMBOL_NAME(sys_getitimer) /* 105 */
.long SYMBOL_NAME(sys_newstat)
.long SYMBOL_NAME(sys_newlstat)
.long SYMBOL_NAME(sys_newfstat)
.long SYMBOL_NAME(sys_uname)
.long SYMBOL_NAME(sys_iopl) /* 110 */
.long SYMBOL_NAME(sys_vhangup)
.long SYMBOL_NAME(sys_idle)
.long SYMBOL_NAME(sys_vm86old)
.long SYMBOL_NAME(sys_wait4)
.long SYMBOL_NAME(sys_swapoff) /* 115 */
.long SYMBOL_NAME(sys_sysinfo)
.long SYMBOL_NAME(sys_ipc)
.long SYMBOL_NAME(sys_fsync)
.long SYMBOL_NAME(sys_sigreturn)
.long SYMBOL_NAME(sys_clone) /* 120 */
.long SYMBOL_NAME(sys_setdomainname)
.long SYMBOL_NAME(sys_newuname)
.long SYMBOL_NAME(sys_modify_ldt)
.long SYMBOL_NAME(sys_adjtimex)
.long SYMBOL_NAME(sys_mprotect) /* 125 */
.long SYMBOL_NAME(sys_sigprocmask)
.long SYMBOL_NAME(sys_create_module)
.long SYMBOL_NAME(sys_init_module)
.long SYMBOL_NAME(sys_delete_module)
.long SYMBOL_NAME(sys_get_kernel_syms) /* 130 */
.long SYMBOL_NAME(sys_quotactl)
.long SYMBOL_NAME(sys_getpgid)
.long SYMBOL_NAME(sys_fchdir)
.long SYMBOL_NAME(sys_bdflush)
.long SYMBOL_NAME(sys_sysfs) /* 135 */
.long SYMBOL_NAME(sys_personality)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* for afs_syscall */
.long SYMBOL_NAME(sys_setfsuid)
.long SYMBOL_NAME(sys_setfsgid)
.long SYMBOL_NAME(sys_llseek) /* 140 */
.long SYMBOL_NAME(sys_getdents)
.long SYMBOL_NAME(sys_select)
.long SYMBOL_NAME(sys_flock)
.long SYMBOL_NAME(sys_msync)
.long SYMBOL_NAME(sys_readv) /* 145 */
.long SYMBOL_NAME(sys_writev)
.long SYMBOL_NAME(sys_getsid)
.long SYMBOL_NAME(sys_fdatasync)
.long SYMBOL_NAME(sys_sysctl)
.long SYMBOL_NAME(sys_mlock) /* 150 */
.long SYMBOL_NAME(sys_munlock)
.long SYMBOL_NAME(sys_mlockall)
.long SYMBOL_NAME(sys_munlockall)
.long SYMBOL_NAME(sys_sched_setparam)
.long SYMBOL_NAME(sys_sched_getparam)　 /* 155 */
.long SYMBOL_NAME(sys_sched_setscheduler)
.long SYMBOL_NAME(sys_sched_getscheduler)
.long SYMBOL_NAME(sys_sched_yield)
.long SYMBOL_NAME(sys_sched_get_priority_max)
.long SYMBOL_NAME(sys_sched_get_priority_min)　/* 160 */
.long SYMBOL_NAME(sys_sched_rr_get_interval)
.long SYMBOL_NAME(sys_nanosleep)
.long SYMBOL_NAME(sys_mremap)
.long SYMBOL_NAME(sys_setresuid)
.long SYMBOL_NAME(sys_getresuid) /* 165 */
.long SYMBOL_NAME(sys_vm86)
.long SYMBOL_NAME(sys_query_module)
.long SYMBOL_NAME(sys_poll)
.long SYMBOL_NAME(sys_nfsservctl)
.long SYMBOL_NAME(sys_setresgid) /* 170 */
.long SYMBOL_NAME(sys_getresgid)
.long SYMBOL_NAME(sys_prctl)
.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigreturn)
.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigaction)
.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigprocmask) /* 175 */
.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigpending)
.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigtimedwait)
.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigqueueinfo)
.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigsuspend)
.long SYMBOL_NAME(sys_pread) /* 180 */
.long SYMBOL_NAME(sys_pwrite)
.long SYMBOL_NAME(sys_chown)
.long SYMBOL_NAME(sys_getcwd)
.long SYMBOL_NAME(sys_capget)
.long SYMBOL_NAME(sys_capset)　　　　　 /* 185 */
.long SYMBOL_NAME(sys_sigaltstack)
.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile)
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams1 */
.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall) /* streams2 */
.long SYMBOL_NAME(sys_vfork)　　　　　　/* 190 */
　我们来继续看本行的三个参数:(,%eax,),实现数组索引。当然，这个数组是以sys_call_table作为索引的，
称为偏移。三个参数分别代表：数组的基地址，索引（eax,也就是系统调用数）和大小，或每个数组元素中的字
节数-----这里是4。由于数组基地址为空，所以赋予0---但它需要和偏移地址sys_call_table相加，简单的说是
sys_call_table被当作数组的基地址。我把本行用c重写如下：
(sys_call_table)[EAX]();
当然，c还要处理许多工作，如为你纪录数组元素的大小。不要忘记，系统调用的参数早已经存储在堆栈中了，
以便于system_call使用SAVE_ALL把他们压栈。
--------------------------------------------------------------------------------------------
movl %eax,EAX(%esp) # 系统调用返回
/*它在EAX寄存器中的返回值（这个值同时也是system_call的返回值）被存储了起来。返回值被存储在堆栈中的
EAX内，以使得RESTORE_ALL可以迅速地恢复实际的EAX寄存器及其他寄存器的值。*/ 

　以下代码依然是system_call的一部分，是一个可以命名为ret_from_sys_call和ret_from_intr的独立入口点。
它们偶尔会被c直接调用，也可以从system_call的其他部分跳转过来。
ALIGN
.globl ret_from_sys_call
.globl ret_from_intr
ret_from_sys_call:
movl SYMBOL_NAME(bh_mask),%eax
andl SYMBOL_NAME(bh_active),%eax
jne handle_bottom_half
/*检测bottom half是否激活，如果激活，程序就跳转到handle_bottom_half执行，bottom half是中断进程的一部
分，以后再提及，中断进程我的概念也很模糊。*/
ret_with_reschedule:
cmpl $,need_resched(%ebx)/*检查进程是否为再次调度做了标记*/
jne reschedule/*如果是，就跳转到reschedule*/
cmpl $,sigpending(%ebx)/*检查是否还有挂起信号*/
jne signal_return/*如果有，则程序跳转到signal_return*/
restore_all:
RESTORE_ALL/*system_call的退出点，参看前面SAVE_ALL的用法*/ 

ALIGN
signal_return:/*当system_call从系统调用返回前，如果它检测到需要将信号传送给当前的进程时，才会执行到
signal_return。它通过使中断再次可用开始执行。*/
sti # we can get here from an interrupt handler
testl $(VM_MASK),EFLAGS(%esp)/*检测是否返回虚拟8086模式*/
movl %esp,%eax
jne v86_signal_return/*如果是，就跳转到v86_signal_return（由于虚拟8086我也不太理解，所以就跳过了，：（*/
xorl %edx,%edx /*system_call需要调用c函数do_signal来释放信号。do_signal需要两个参数，这两个参数都是
通过寄存器来传递的；第一个是EAX寄存器，另一个是edx寄存器。system_call已经把第一个参数的值赋给了eax；
现在，把edx寄存器和寄存器本身进行xor操作，从而将其清0，这样do_signal就认为这是一个空指针。*/
call SYMBOL_NAME(do_signal) /*好，现在就可以调用do_signal来传递信号了*/
jmp restore_all /*然后跳转到restore_all结束*/ 

ALIGN
v86_signal_return:
call SYMBOL_NAME(save_v86_state)
movl %eax,%esp
xorl %edx,%edx
call SYMBOL_NAME(do_signal)
jmp restore_all 

ALIGN
tracesys:　/*前面说过，当有当前进程的系统调用被其祖先跟踪，如strace或truss程序，程序就跳转到此。*/
movl $-ENOSYS,EAX(%esp)　/*system_call把存储在堆栈中的EAX拷贝赋予-ENOSYS。*/
call SYMBOL_NAME(syscall_trace)　/*调用syscall_trace*/
movl ORIG_EAX(%esp),%eax　/*在172行再从所作的拷贝中恢复EAX的值*/
call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,)　/*调用实际的系统调用。*/
movl %eax,EAX(%esp) /*把系统调用的返回值置入堆栈中EAX的位置。*/
call SYMBOL_NAME(syscall_trace)　/*再次调用syscall_trace*/
jmp ret_from_sys_call　/*被跟踪的系统调用已经返回，控制流程跳转到ret_from_sys_call*/
badsys:　/*前面说过，当系统调用数超过边界值时程序就跳转到这里。*/
movl $-ENOSYS,EAX(%esp) /*这时system_call必须返回-ENOSYS，82行把ENOSYS赋值为38。调用者会识别这个错误*/
jmp ret_from_sys_call　 /*跳转到ret_from_sys_call*/ 

ALIGN
ret_from_exception:/*在诸如除0之类的cpu异常中断情况下将执行到这里；system_call内部代码不会执行到这个标号*/
movl SYMBOL_NAME(bh_mask),%eax
andl SYMBOL_NAME(bh_active),%eax
jne handle_bottom_half
ALIGN
ret_from_intr:
GET_CURRENT(%ebx)
movl EFLAGS(%esp),%eax # mix EFLAGS and CS
movb CS(%esp),%al
testl $(VM_MASK | ),%eax # return to VM86 mode or non-supervisor?
jne ret_with_reschedule
jmp restore_all 

ALIGN
handle_bottom_half:
call SYMBOL_NAME(do_bottom_half)
jmp ret_from_intr 

ALIGN
reschedule:
call SYMBOL_NAME(schedule)　　# test
jmp ret_from_sys_call
这以上的代码，我都还不太怎么明白，等我弄明白了就补齐，但基本的system_call的内部核心代码都介绍完了。后几
天我会分析几个系统调用的样例来帮助理