深入理解系统调用

一.实验要求：

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.配置实验环境：

1，下载工具、Linux内核源码

sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
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

2.配置内核编译选项

make defconﬁg # Default conﬁguration is based on 'x86_64_defconﬁg'
make menuconﬁg  
# 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)

3.编译运行内核

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  #  此时应该不能正常运行，会报kernel pannic错误，因为没有文件系统。

4.制作内存根文件系统

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/<br>

将init脚本放入该目录下，然后执行：

a打包成内存根文件系统镜像

b测试挂载根文件系统，看内核启动完成后是否执行init脚本!

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

看到Wellcome os！说明成功执行了init脚本

三.用汇编代码编写系统调用程序

1.学号后两位为44，查看syscall_64.tbl对应系统调用为sendto，如下图所示；

sendto系统调用用于向指定的目的地址发送数据

2.这里写一个test_sendto.c文件，调用44号系统调用：

#include<stdio.h>
int main()
{
    asm volatile(
    "movl $0x2c,%eax
	" //使⽤EAX传递系统调⽤号44
    "syscall
	" //触发系统调⽤ 
    );
    printf("sendto
");
    return 0;
}

3.用gcc静态编译，生成可执行文件

gcc -o test_sendto test_sendto.c -static

4.将文件放至rootfs/home路径下，重新执行如下两条语句：

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

四.gdb调试

1.启动qemu

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

2.新打开一个终端命令分别执行如下步骤

cd linux-5.4.34/ # 切到对应的文件夹
gdb vmlinux

(gdb) target remote:1234

3.根据前面提到的，44号系统调用的内核处理函数为__x64_sys_sendto，因此我们给它打上断点: b __x64_sys_sendto，如下图

4.保存现场：

可以看到保存现场使用了特殊的swapgs，加快了系统调用的速度，swapgs之后push了一堆寄存器，将其入内核堆栈，然后转换成pt_regs结构体

5.现场恢复

执行了一个宏USERGS_SYSRET64, 在linux5.4.34/arch/x86/include/asm/irqflags.h中有他的如下定义

swapgs——恢复现场和sysretq——系统调用返回。

五.总结

应用程序调用API,然后trap陷入，进入系统调用，进入内核态，保存现场执行中断处理程序然后恢复现场返回用户态。其中保存现场和恢复现场都是通过操作内核的堆栈实现的