By [Jerling]

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三个作用

  1. 为用户空间提供硬件抽象接口
  2. 保证系统稳定和安全
  3. 使每个用户程序运行在虚拟系统中

系统调用

定义一个系统调用(以 getpid() 为例)：

SYSCALL_DEFINE0(getpid)
{
  return task_tgid_vnr(current); // return current->tgid
}

SYSCALL_DEFINE0 是一个宏， 0 表示参数个数。展开为：

asmlinkage long sys_getpid(void)
  1. asmlinkage 是编译器指令。通知编译器仅从栈中提取参数，所有的系统调用都需要这个限定词
  2. 为了保证 32 位和 64 位的兼容，用户空间返回为 int, 内核返回 long
  3. 系统调用 get_pid() 在内核中定义为 sys_getpid,这是所有系统调用的命名规则

系统调用号

每个系统调用都有一个系统调用号，用户空间的进程执行系统调用时通过系统调用号而不是 名称。

系统调用一旦分配不能改变，也不能复用。系统调用删除需用 “未实现” 系统调用 sys_ni_syscall() 进行 “填补”.

内核在 sys_call_table 记录所有注册过的系统调用，它为每个有效系统调用指定唯一的系统 调用号；这个表是跟体系结构相关的。

系统调用处理程序

通过软中断实现：引发一个异常促使系统切换到内核态执行系统调用处理程序 system_call()。

指定恰当的系统调用

在 x86 上，系统调用号通过 eax 传递到内核。 system_call() 通过将系统调用号与 NR_syscalls 比较，如果低于或超出该范围，返回 -ENOSYS 。否则执行相应的系统调 用：

call *sys_call_table(, %rax, 8)

表项是 64 位，所以内核将系统调用号乘 8, 32 位系统乘 4 。

参数传递

参数少于五个时，通过寄存器传递；否则用 eax 传递一个指向用户空间的指针。

实现

添加系统调用比较容易，难在设计和实现。

实现系统调用

  1. 用途：不提倡多用途的系统调用（通过传递不同的参数）
  2. 参数、返回值和错误码：接口力求简洁，参数尽可能少；力求稳定，不做改动。
  3. 设计接口时尽量考虑未来：通用性，移植性，健壮性，考虑字节长度和字节序

参数验证

  1. 指针是否有效
    • 指向的内存区域为用户空间，不能指向内核空间
    • 在该进程的地址空间，不能是其它进程
    • 是读标记为可读，是写标记为可写，是执行标记为可执行，不能饶过内存访问限制
  2. 内核不能轻率接受用户空间的指针，必须进行拷贝
    1. copy_to_user() : 向用户空间写入数据
    2. copy_from_user : 从用户空间读如数据
  3. 检查权限
    • 老版本使用 suser 检查是否为超级用户
    • 现在用细粒度的 “权能” 机制替代， capable()

上下文

系统调用为可重入的，当系统调用返回时，控制权在 system_call() 中，它负责切换到 用户空间继续运行用户进程

绑定系统调用的最后步骤

注册过程：

  1. 在系统调用表 sys_call_table 最后加入一个表项
  2. 对于所支持的各种体系结构，系统调用号都必须定义于 <asm/unistd.h> 中
  3. 必须编译进内核映像（不能是模块）

从用户空间访问系统调用

  1. 通过库函数（如 glibc）

  2. _syscaln() 宏： n 为参数个数，以 open() 为例：

        // 系统调用定义
    long open(const char *filename, int flags, int mode)

    // 系统调用的宏
    #define NR_open 5
    _syscall3(long, open, const char*, filename, int, flags, int, mode)

每个宏的参数个数为 2 + 2 * n 个

该宏会被扩展为内嵌汇编的 C 函数。

为什么不通过系统调用的方式实现

好处：

  1. 创建容易，使用方便
  2. 高性能

问题：

  1. 需要一个系统调用号
  2. 加入稳定内核后就固化了
  3. 需分别注册到需支持的体系结构中
  4. 脚本不易使用，也不能从文件系统直接访问
  5. 因为需要系统调用号，在主内核之外很难维护和使用
  6. 简单的信息交换，大材小用

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

  1. 像信号量这样的接口，可用文件描述符表示，因此可用上述方式操作
  2. 把增加的信息作为文件放在 sysfs 的合适文件