20135220谈愈敏Linux Book

第五章系统调用

内核提供了用户进程与内核进行交互的一组接口。
应用程序发出请求->内核负责满足
目的：保证系统稳定可靠

5.1 与内核通信

系统调用在用户空间进程和硬件设备之间添加了一个中间层，其作用：

为用户空间提供一种硬件的抽象接口
保证系统稳定和安全
为了实现多任务和虚拟内存

系统调用是用户空间访问内核的唯一手段

5.2 API、POSIX和C库

应用程序通过应用编程接口API而不是系统调用来编程，且API并不和系统调用一一对应。

API、POSIX、C库和系统调用之间的关系：

POSIX是标准，API基于POSIX，POSIX定义的API函数和系统调用有直接关系。
系统调用作为C库的一部分提供。C库实现看POSIX的主要API。
程序员只和API打交道，内核只和系统调用打交道。

提供机制而不是策略：系统调用抽象出用于完成某种确定目的的函数，而内核不关心函数怎么用。

5.3 系统调用

系统调用(syscall)通常通过C库中的函数调用来进行。

系统调用有一个long类型返回值：通常负值表明错误，0表明成功。

出现错误时C库把错误码写入errno全局变量，通过perror()库函数翻译成错误字符串。

举例：getpid()

注意：没有规定过程是什么方式，只要结果正确就行。

SYSCALL_DEFINEO(getpid) //SYSCALL_DEFINEO是一个宏，定义一个无参数的系统调用，如下

asmlinkage long sys_getpid(void)

#asmlinkage限定词是编译指令，通知编译器仅从栈中提取该函数的参数，所有系统调用都要用到这个限定词。

#函数返回long。用户空间为int，内核空间为long。

#命名规则：getpid->sys_getpid

系统调用号

系统调用被赋予一个独一无二的系统调用号，进程通过系统调用号指明执行哪一个系统调用。

系统调用号很重要：一旦分配不能有任何更改。系统调用被删除，系统调用号不允许被回收利用。

sys_ni_syscall()：未实现的系统调用，只返回-ENOSYS，专门针对无效的系统调用，负责“填补空缺”。

sys_call_table：记录已注册的系统调用，为每一个有效的系统调用指定唯一的系统调用号。

系统调用的性能

Linux系统调用执行快：

上下文切换时间短，进出内核简洁高效。
系统调用处理程序和系统调用本身都非常简洁。

5.4 系统调用处理程序

用户空间的程序不能直接执行内核代码，需要通知系统切换到内核态，由内核执行系统调用。

机制：软中断：引发一个异常使系统切换到内核态执行异常处理程序，而这个异常处理程序就是系统调用处理程序(system_call)，中断号为128，通过int $0x80触发该中断。

指定恰当的系统调用

把系统调用号传给内核：通过eax寄存器

检查系统调用号有效性：与NR_syscalls做比较：

大于或等于，函数就返回-ENOSYS

否则就执行相应的系统调用：call *sys_call_table(,%rax,8) //表项为8字节存储

参数传递

外部参数输入：可存放在寄存器里，ebx,ecx,edx,esi,edi按顺序存放前五个参数，需要6个参数时：用寄存器存放指向这些参数的指针。

返回值：存放在eax中。

5.5系统调用的实现

给内核添加一个新的系统调用是相对容易的，但是设计和实现一个系统调用是难题。

实现系统调用

第一步决定用途，要明确。
新系统调用的参数、返回值、错误码、接口力求简洁，语义和行为稳定不做改动。
为将来多做考虑，注意可移植性和健壮性。

参数验证

系统调用必须检查参数是否合法有效，进程不能让内核去访问它本身无权访问的资源。

重要检查：指针是否有效：

指针指向的内存区域属于用户空间，且在进程地址空间里。
标记为可读/写/执行，才能进行读/写/执行。

内核空间和数据空间之间的数据拷贝：

写入数据：copy_to_user()

读取数据：copy_from_user()

//都有三个参数，进程空间中的目的内存地址+内核空间内的源地址+数据长度(字节数)

//执行失败：返回没有拷贝的数据字节数  成功：返回0  错误：返回标准-EFAULT

是否有合法权限：

使用capable()函数来检查是否有权对指定资源进行操作：返回非0：有权，返回0：无权。

5.6 系统调用上下文

内核在执行系统调用时处于进程上下文。current指针指向引发系统调用的进程。

在进程上下文中：

内核可以休眠
内核可以被抢占：保证系统调用是可重入的

系统调用返回时：system_call负责切换到用户空间。

绑定一个系统调用的最后步骤

编写完一个系统调用后，注册步骤：

在系统调用表的最后加入一个表项。从0算起，在该表位置为其系统调用号。
对于所支持的所有体系结构，系统调用号都必须定义在<asm/unistd.h>中。每种体系结构不需要对应相同的系统调用号。系统调用号专属于体系结构ABI。
系统调用必须被编译进内核映象（不能被编译成模块）。可放在kernel/sys.c中(包含各种系统调用)

从用户空间访问系统调用

一般系统调用靠C库支持，Linux提供了一组宏可直接对系统调用进行访问，会将系统调用号和参数压入寄存器并触发软中断来陷入内核。

这些宏是_syscalln():n为0到6，代表参数个数。举例open()：

定义：long open (const char *filename,int flags,int mode)

宏：

#define NR_open 5   //系统调用号

_syscall3(long,open,const char *,filename,int,flags,int,mode)

//第一个参数是返回值类型，第二个是系统调用名称，后面是按照参数顺序排列的每个参数的类型和名称

为什么不通过系统调用的方式实现

虽然新建一个系统调用很容易且使用方便，性能高，但是不提倡。

替代方法：实现一个设备节点，并对此实现read()和write()。使用ioctl()对特定的设置进行操作或对特定的信息进行检索。

信号量这样的接口可用文件描述符表示。
把增加的信息作为一个文件放在sysfs的合适位置。