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《Linux内核设计与实现》CHAPTER5阅读梳理

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《Linux内核设计与实现》CHAPTER5阅读梳理

【学习时间：2.5hours】

【学习内容：系统调用的概念、功能及实现；系统调用的创建和使用方法】

CHAPTER5 系统调用

1.系统调用的作用

系统调用在用户空间和硬件设备之间提供了一个中间层：

  1. 为用户空间提供了一个硬件抽象接口；
  2. 系统调用保证了系统的稳定和安全（防止应用程序不正确地使用硬件设备）；
  3. 实现多任务和虚拟内存

2.系统调用的支持方式

  1. 系统调用依靠C库支持。用户程序通过包含标准头文件并和C库链接，就可以使用系统调用。
  2. C库也实现了Unix系统的主要API。此外，C库还提供了POSIX的大部分API。

3.mechanism&policy

  • Unix设计中的一大亮点就是区别对待机制和策略。机制指的是“需要提供什么功能”，而策略是指“如何实现这些功能”。
  • 比如，程序员就只需要和API打交道，他们不关心机制。而内核只需要和系统调用打交道，只负责提供功能。

4.系统调用的概述

  1. 系统调用在Linux中称为syscall,返回的值是long型变量；如果出错，C库会将错误代码写入errno全局变量（通过调用perror()函数可以把该变量翻译成用户可以理解的错误代码）；
  2. 为了保证32和64位系统兼容，系统调用在用户空间和内核空间有不同的返回值类型：在用户空间为int，在内核空间为long。
  3. 如果一个系统调用被删除或者不可用，sysnisyscall()函数将会占用对应的系统调用号负责“填补空缺”，其只返回-ENOSYS。

5.系统调用处理程序

  1. 用户程序无法直接执行内核代码，它们也不能直接调用内核空间中的代码；
  2. 通知内核的机制是靠软中断实现的：通过引发一个一场来促使系统切换到内核态去执行处理程序，此时的异常处理程序实际上就是系统调用处理程序——int $0x80所指向的128号异常处理程序就是系统调用处理程序；
  3. 在陷入内核态之前，用户空间就把相应的系统调用号传给eax；这样系统调用处理程序一旦运行，就可以从eax中得到数据。

6.系统调用实现

  1. 第一步，明确系统调用的用途；
    1. 新系统调用的参数、返回值和错误码都应该清晰；借口也要尽量简洁。
  2. 参数验证
    1. 验证参数是否合法有效；
    2. 验证指针是否有效：
      • 指向的区域属于用户空间；
      • 指向的区域在进程的地址空间中（不允许访问其他进程空间）；
      • 进程不能绕过内存访问限制。
    3. 方法：
      • 使用内核提供的copytouser()以及copyfromuser()检查从用户空间拷贝或者向其中写入数据是否成功（可能引起阻塞；比如当发生缺页中断的时候）；
      • 使用capale()函数检查函数是否有权对指定的资源进行操作（如果不能的话则返回0）。
  3. 绑定系统调用
    • 在系统调用表（位于entry.s文件）中加入最后一个表项；
    • 将系统调用号定义到<asm/unistd.h>中：#define NR[系统调用] [数值]
    • 将系统调用编译进内核映像（而不是模块）：将其放入kernel/下的相关文件中（比如sys.c）

  4. 系统调用定义形式：

    asmlinkage long sys_getpid(void)//以getpid()函数为例

    • 【asmlinkage限定词是一个编译指令，通知编译器仅从栈中提取该函数的参数】

  5. Linux本身提供了一组宏，用于直接对系统调用进行访问，即_syscalln();其中n是传递给系统调用的参数个数

    • 对每一个宏而言，都有2+2*n个参数：第一个是系统调用返回值类型；第二个是系统调用名称；以后是每个参数的类型和名称

课堂内容补充

1. 所有内核服务都通过系统调用的形式实现。也就是说，系统调用是除了异常和陷入以外内核唯一的合法入口。

2.内核在执行系统调用的时候处于进程上下文，current指针指向引发系统调用的那个进程。

  • 在进程上下文中，内核可以休眠——说明系统调用可以使用内核提供的绝大部分功能(然而中断处理程序就不能休眠)；
  • 并且，在进程上下文中，系统调用是可以重入的，也就是说当前进程可以被抢占

疑问与自查

  1. NR_syscalls是什么意思？

    • 我能够大概理解到该变量应该代表了系统调用号。通过后面的阅读，确定它就是代指的系统调用号（网上也有说是当前地址减去系统调用表开始地址的）

  2. asmlinkage限定词的意义？为什么非要从堆栈中取值呢？

    • 参考http://www.cnblogs.com/china_blue/archive/2010/01/15/1648523.html
    • gcc编译器在汇编过程中调用c语言函数时传递参数有两种方法：一种是通过堆栈，另一种是通过寄存器。缺省时采用寄存器，假如你要在你的汇编过程中调用c语言函数，并且想通过堆栈传递参数，你定义的c函数时要在函数前加上宏asmlinkage。因为当 system call handler 要调用相对应的 system call routine 时，便将一般用途缓存器的值 push 到 stack 里，因此 system call routine 就要由 stack 来读取 system call handler 传递的参数。这就是 asmlinkage 标签的用意。

  3. reboot()系统调用的作用？

    • 参考http://www.cnblogs.com/kerrycode/p/3872771.html
    • 用来重启系统