Linux内核设计与实现(6)---系统调用

现代操作系统中，内核提供了用户进程和内核进程交互的一组接口，让app可以受限的访问硬件资源，提供进程间通信机制，实际上主要是为了保证系统稳定可靠，避免应用程序do whatever they want.

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，主要作用：

①为用户空间提供了一种硬件的抽象接口；

②保证了系统的稳定和安全，可以给予权限，用户对访问进行裁决；

③每个进程都运行在虚拟系统中；

在Linux中，系统调用是用户空间访问内核的唯一手段；除异常和陷入外，是内核唯一的合法入口；实际上像设备文件和/proc之类的方式，也是通过系统调用进行访问的。

 

2  API、POSIX和C库

应用程序通过在用户空间实现的应用编程接口(API)，而不是直接通过系统调用来编程。

因为API实际上不需要和系统调用对应，一个API可以实现成一个系统调用，也可以通过调用多个系统调用来实现，也可以完全不用。POSIX、API、C库及系统调用关系如下

程序员只跟API打交道，内核只跟系统调用打交道；即内核提供机制，API提供策略。

C库实现了大部分的POSIX标准API.

 

3.系统调用

系统调用一般用返回0来表示成功,返回负数表明错误,错误码写入errno全局变量,用peeror()库函数可以把错误码转变成错误字符串.

举一例,获取进程ID号的系统调用getpid()

asmlinkage long sys_getpid(void)
{
    return current->tgid;
}

①asmlinkage限定词是编译器指令，告知编译器仅从堆栈中提取函数的参数；

②内核返回long，用户空间返回int，是为了保证32位/64位系统兼容；

③get_pid在内核被定义为sys_getpid()，内核对系统调用都是如此定义的；

(1)系统调用号

Linux中，每个系统调用号被赋予一个唯一的系统调用号，进程不会提及系统调用名称，而是用系统调用号来关联具体的系统调用。

一个系统调用号一旦被分配，不能随意变更；用sys_ni_syscall()来补缺已经删除的调用号；

系统调用号保持在unsigned long sys_call_table[NR_syscalls];

(2)系统调用的性能

Linux上下文切换时间很短，进出内核都被优化的简洁高效；系统调用处理程序和每个系统调用本身都非常简洁，所以Linux系统调用比许多其他操作系统都执行的快。

(3)系统调用处理程序

通过软中断引发一个异常，促使系统切换到内核态，执行异常处理程序代码；这个异常处理程序就是系统调用处理程序system_call()。

①找到指定的系统调用

X86上是通过eax把系统调用号传给内核，system_call()通过查找sys_call_table[]找到对应的系统调用

②参数传递

Ebx,ecx,edx,esi和edi依次存放前五个参数，若需要六个以上参数，用单独寄存器指向这些参数在用户空间地址的指针。通过eax存放返回值。

 

4.系统调用的实现

(1)决定用途，每个系统调用功能应该单一明确，不提倡多用途系统调用。系统调用参数，返回值和错误码都要明确，不要对机器字节长度和字节序做假设。

(2)参数验证：内核必须保证

①指向用户空间内存的指针，内核不能直接访问；

②指针指向的内存在用户进程空间里，内核不能读其他进程空间；

③内存不能绕过访问限制：可读内存标记为可读，可写标记为可写，可执行标记为可执行

内核用copy_to_user()和copy_from_user()来从用户空间读写数据，都是把第二个参数指定位置数据传送到第一个参数指定位置，长度由第三个参数决定。执行失败，返回未传送字节，成功返回0。copy_to_user()和copy_from_user()都可能引起休眠。

④检查权能，针对合法权限，比如if (!capable(CAP_SYS_BOOT))      return –EPERM;

(3)内核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那个进程。能够休眠，所以系统调用必须是可重入的。

(4)往系统添加一个系统调用的一个简单实例

①添加系统调用名字函数名字sys_mytest,一般在calls.S或者entry.S

/* 320 */ .long       sys_get_mempolicy

              .long       sys_set_mempolicy

              .long   sys_mytest

②在unistd.h添加系统调用号，322

#define __NR_get_mempolicy             (__NR_SYSCALL_BASE+320)

#define __NR_set_mempolicy             (__NR_SYSCALL_BASE+321)

#define __NR_mytest                   (__NR_SYSCALL_BASE+322)

③实现系统调用函数

asmlinkage long sys_mytest(struct testsys __user *buf)
{
#if 1
    struct testsys pbuf_kernel;
    copy_from_user(&pbuf_kernel,buf,sizeof(pbuf_kernel));
    pbuf_kernel.cmd += 1;
    pbuf_kernel.value += 2;
    copy_to_user(buf,&pbuf_kernel,sizeof(pbuf_kernel));
#endif
    printk("---this is my test about sys_call!\r\n");
    return 0;
}

④在syscalls.h做系统调用函数声明

asmlinkage long sys_keyctl(int cmd, unsigned long arg2, unsigned long arg3,
               unsigned long arg4, unsigned long arg5);
asmlinkage long sys_mytest(struct testsys __user *buf);

⑤app测试

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define __NR_mytest 322
struct testsys{
        int cmd;
        int value;
};
int main(void)
{

        struct testsys mysys;
        mysys.cmd = 2;
        mysys.value = 2;

        //syscall(__NR_mytest);
        syscall(322,&mysys);
        printf("mysys.cmd:%d.\nmysys.value:%d\n",mysys.cmd,mysys.value);
        return 0;
}

测试结果：

5.添加系统调用
优点有：

①系统调用创建容易，且使用方便；

②Linux系统调用高性能显而易见

缺点是：

①需要一个系统调用号，这个需要官方分配

②系统调用被加入稳定内核固化后，接口不能改变；

③需要将系统调用分别分配到各种体系结构去(与硬件相关)

④在脚本中不容易调用系统调用，也不能从文件系统直接访问系统调用

⑤在主内核树之外很难维护

⑥如果只进行简单信息交换，系统调用大材小用了。所以尽管建立一个系统调用非常容易，但是不建议这么做，替代方法：

①实现一个设备节点，并对此实现read()和write()，ioctl()来进行操作

②像信号量这样的某些接口，可以用文件描述符来表示

③把增加的信息作为一个文件放在sysfs的合适位置

 

Linux尽量使系统调用简洁，事实上Linux已经是一个相对稳定并且功能已经较为完善的操作系统。