Linux内核分析--系统调用实现代码分析

启动早就读完，现在为了写笔记再从启动之后粗略的大体读一遍，基本就是几个大模块：启动和初始化，中断信号，进程及调度，内存管理，文件系统，网络，驱动和模块等，我主要也从这几块入手。由于启动部分在start_kernel之前牵涉到大量的x86体系相关的汇编知识，需要大量的时间，于是我跳过，先把握整个系统的大体脉络，然后做二次，三次分析。网络部分的分析，我会从4.4BSD-Lite的代码中分析。

系统调用：

先说一下系统调用，奇怪的很，所有的读核资料都没有把系统调用单独提出来说，我觉得还是比较重要的。用户和系统内核通信的关键的枢纽，不过分吧，呵呵。仔细研究一下它的机制，准备花三天时间，手头有些书和资料，帮助我理解。

概念：（明晰一下基本概念）系统调用发生在用户进程，通过一些特殊的函数（如open）来请求内核提供服务，这时，用户进程挂起，内核验证用户请求，尝试之行，并把结果反馈给用户进程，接着用户进程重新启动。这些机制在一般的编程书里都有，我就是来通过源代码的实现来讨论这种机制。

具体实现代码：arch/i386/kernel/entry.S（内核版本2.2.14）从entry.S的第171行，就是system_call开始，171-248行代码贴出来，分析以注释形式：ENTRY(system_call) \\所有系统调用的入口点，参数system_call是所希望激活的系统调用的数pushl ％eax# 保存orig_eax，这个值就是希望系统调用数SAVE_ALL。SAVE_ALL宏定义如下：

　　#define SAVE_ALL cld; pushl ％es;    pushl ％ds; pushl ％eax; pushl ％ebp; pushl ％edi;    pushl ％esi; pushl ％edx; pushl ％ecx; pushl ％ebx;     movl $(__KERNEL_DS),％edx; movl ％dx,％ds; movl ％dx,％es;

他的作用是先把所有寄存器的值压栈，然后在system_call返回之前使用RESTORE_ALL把栈从栈中弹出，在这其中system_call可以根据需要子去使用寄存器的值。任何它调用的c函数都可以从栈中查找到所希望的参数，因为SAVE_ALL已经把所有寄存器的值都压入栈中了 */GET_CURRENT(％ebx) /*利用GET_CURRENT宏从ebx中取得当前任务指针，GET_CURRENT宏定义如下：#define GET_CURRENT(reg) movl ％esp, reg; andl $-8192, reg;这段代码应该很好理解，把esp指移到reg变量，减去8129得到当前任务地址。cmpl $(NR_syscalls),％eax /*察看保存在eax中的系统调用数是否超过最大数（常数NR_syscalls代表系统调用的最大数）如果确实超过了，请看下面一句:jae badsys，程序则跳转到badsys。*/jae badsys testb $0x20,flags(％ebx)# PF_TRACESYS/*检查系统调用是否正在被跟踪*/jne tracesys /*如果系统调用被跟踪，则程序跳转到tracesys。*/call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,％eax,4)/*调用系统函数*/。/*SYMBOL_NAME宏不处理任何工作，只是简单的被文本参数（也就是系统调用名）所替换，所以可以忽略sys_call_table也定义在entry.S（373行）中，是一张由指向实现各种系统调用的内核函数的函数指针组成的表：

　　 ENTRY(sys_call_table)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* 0 - old "setup()" system call*/　　.long SYMBOL_NAME(sys_exit)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fork)　　.long SYMBOL_NAME(sys_read)　　.long SYMBOL_NAME(sys_write)　　.long SYMBOL_NAME(sys_open)/* 5 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_close)　　.long SYMBOL_NAME(sys_waitpid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_creat)　　.long SYMBOL_NAME(sys_link)　　.long SYMBOL_NAME(sys_unlink)/* 10 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_execve)　　.long SYMBOL_NAME(sys_chdir)　　.long SYMBOL_NAME(sys_time)　　.long SYMBOL_NAME(sys_mknod)　　.long SYMBOL_NAME(sys_chmod)/* 15 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_lchown)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old break syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_stat)　　.long SYMBOL_NAME(sys_lseek)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getpid)/* 20 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_mount)　　.long SYMBOL_NAME(sys_oldumount)　　.long SYMBOL_NAME(sys_setuid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getuid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_stime)/* 25 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_ptrace)　　.long SYMBOL_NAME(sys_alarm)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fstat)　　.long SYMBOL_NAME(sys_pause)　　.long SYMBOL_NAME(sys_utime)/* 30 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old stty syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old gtty syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_access)　　.long SYMBOL_NAME(sys_nice)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* 35 */ /* old ftime syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_sync)　　.long SYMBOL_NAME(sys_kill)　　.long SYMBOL_NAME(sys_rename)　　.long SYMBOL_NAME(sys_mkdir)　　.long SYMBOL_NAME(sys_rmdir)/* 40 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_dup)　　.long SYMBOL_NAME(sys_pipe)　　.long SYMBOL_NAME(sys_times)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old prof syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_brk)/* 45 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_setgid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getgid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_signal)　　.long SYMBOL_NAME(sys_geteuid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getegid)/* 50 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_acct)　　.long SYMBOL_NAME(sys_umount)/* recycled never used phys() */　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old lock syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_ioctl)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fcntl)/* 55 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old mpx syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_setpgid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old ulimit syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_olduname)　　.long SYMBOL_NAME(sys_umask)/* 60 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_chroot)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ustat)　　.long SYMBOL_NAME(sys_dup2)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getppid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getpgrp)/* 65 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_setsid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigaction)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sgetmask)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ssetmask)　　.long SYMBOL_NAME(sys_setreuid)/* 70 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_setregid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigsuspend)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigpending)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sethostname)　　.long SYMBOL_NAME(sys_setrlimit)/* 75 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_getrlimit)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getrusage)　　.long SYMBOL_NAME(sys_gettimeofday)　　.long SYMBOL_NAME(sys_settimeofday)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getgroups)/* 80 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_setgroups)　　.long SYMBOL_NAME(old_select)　　.long SYMBOL_NAME(sys_symlink)　　.long SYMBOL_NAME(sys_lstat)　　.long SYMBOL_NAME(sys_readlink)/* 85 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_uselib)　　.long SYMBOL_NAME(sys_swapon)　　.long SYMBOL_NAME(sys_reboot)　　.long SYMBOL_NAME(old_readdir)　　.long SYMBOL_NAME(old_mmap)/* 90 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_munmap)　　.long SYMBOL_NAME(sys_truncate)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ftruncate)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fchmod)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fchown)/* 95 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_getpriority)　　.long SYMBOL_NAME(sys_setpriority)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* old profil syscall holder */　　.long SYMBOL_NAME(sys_statfs)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fstatfs)/* 100 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_ioperm)　　.long SYMBOL_NAME(sys_socketcall)　　.long SYMBOL_NAME(sys_syslog)　　.long SYMBOL_NAME(sys_setitimer)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getitimer)/* 105 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_newstat)　　.long SYMBOL_NAME(sys_newlstat)　　.long SYMBOL_NAME(sys_newfstat)　　.long SYMBOL_NAME(sys_uname)　　.long SYMBOL_NAME(sys_iopl)/* 110 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_vhangup)　　.long SYMBOL_NAME(sys_idle)　　.long SYMBOL_NAME(sys_vm86old)　　.long SYMBOL_NAME(sys_wait4)　　.long SYMBOL_NAME(sys_swapoff)/* 115 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_sysinfo)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ipc)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fsync)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigreturn)　　.long SYMBOL_NAME(sys_clone)/* 120 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_setdomainname)　　.long SYMBOL_NAME(sys_newuname)　　.long SYMBOL_NAME(sys_modify_ldt)　　.long SYMBOL_NAME(sys_adjtimex)　　.long SYMBOL_NAME(sys_mprotect)/* 125 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigprocmask)　　.long SYMBOL_NAME(sys_create_module)　　.long SYMBOL_NAME(sys_init_module)　　.long SYMBOL_NAME(sys_delete_module)　　.long SYMBOL_NAME(sys_get_kernel_syms)/* 130 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_quotactl)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getpgid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fchdir)　　.long SYMBOL_NAME(sys_bdflush)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sysfs)/* 135 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_personality)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* for afs_syscall */　　.long SYMBOL_NAME(sys_setfsuid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_setfsgid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_llseek)/* 140 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_getdents)　　.long SYMBOL_NAME(sys_select)　　.long SYMBOL_NAME(sys_flock)　　.long SYMBOL_NAME(sys_msync)　　.long SYMBOL_NAME(sys_readv)/* 145 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_writev)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getsid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_fdatasync)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sysctl)　　.long SYMBOL_NAME(sys_mlock)/* 150 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_munlock)　　.long SYMBOL_NAME(sys_mlockall)　　.long SYMBOL_NAME(sys_munlockall)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_setparam)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_getparam) /* 155 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_setscheduler)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_getscheduler)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_yield)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_get_priority_max)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_get_priority_min) /* 160 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_sched_rr_get_interval)　　.long SYMBOL_NAME(sys_nanosleep)　　.long SYMBOL_NAME(sys_mremap)　　.long SYMBOL_NAME(sys_setresuid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getresuid)/* 165 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_vm86)　　.long SYMBOL_NAME(sys_query_module)　　.long SYMBOL_NAME(sys_poll)　　.long SYMBOL_NAME(sys_nfsservctl)　　.long SYMBOL_NAME(sys_setresgid)/* 170 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_getresgid)　　.long SYMBOL_NAME(sys_prctl)　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigreturn)　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigaction)　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigprocmask)/* 175 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigpending)　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigtimedwait)　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigqueueinfo)　　.long SYMBOL_NAME(sys_rt_sigsuspend)　　.long SYMBOL_NAME(sys_pread)/* 180 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_pwrite)　　.long SYMBOL_NAME(sys_chown)　　.long SYMBOL_NAME(sys_getcwd)　　.long SYMBOL_NAME(sys_capget)　　.long SYMBOL_NAME(sys_capset) /* 185 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_sigaltstack)　　.long SYMBOL_NAME(sys_sendfile)　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* streams1 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/* streams2 */　　.long SYMBOL_NAME(sys_vfork) /* 190 */

我们来继续看本行的三个参数:(,％eax,4),实现数组索引。当然，这个数组是以sys_call_table作为索引的，称为偏移。三个参数分别代表：数组的基地址，索引（eax,也就是系统调用数）和大小，或每个数组元素中的字节数-----这里是4。由于数组基地址为空，所以赋予0---但它需要和偏移地址sys_call_table相加，简单的说是sys_call_table被当作数组的基地址。我把本行用c重写如下：

　　(sys_call_table)[EAX]();

当然，c还要处理许多工作，如为你纪录数组元素的大小。不要忘记，系统调用的参数早已经存储在堆栈中了，以便于system_call使用SAVE_ALL把他们压栈movl ％eax,EAX(％esp)# 系统调用返回/*它在EAX寄存器中的返回值（这个值同时也是system_call的返回值）被存储了起来。返回值被存储在堆栈中的EAX内，以使得RESTORE_ALL可以迅速地恢复实际的EAX寄存器及其他寄存器的值。*/

以下代码依然是system_call的一部分，是一个可以命名为ret_from_sys_call和ret_from_intr的独立入口点。它们偶尔会被c直接调用，也可以从system_call的其他部分跳转过来。

　　ALIGN　　.globl ret_from_sys_call　　.globl ret_from_intr　　ret_from_sys_call:　　movl SYMBOL_NAME(bh_mask),％eax　　andl SYMBOL_NAME(bh_active),％eax　　jne handle_bottom_half

检测bottom half是否激活，如果激活，程序就跳转到handle_bottom_half执行，bottom half是中断进程的一部分，以后再提及，中断进程我的概念也很模糊。

　　ret_with_reschedule:　　cmpl $0,need_resched(％ebx)/*检查进程是否为再次调度做了标记*/　　jne reschedule/*如果是，就跳转到reschedule*/　　cmpl $0,sigpending(％ebx)/*检查是否还有挂起信号*/　　jne signal_return/*如果有，则程序跳转到signal_return*/　　restore_all:　　RESTORE_ALL/*system_call的退出点，参看前面SAVE_ALL的用法*/

ALIGN

signal_return:/*当system_call从系统调用返回前，如果它检测到需要将信号传送给当前的进程时，才会执行到signal_return。它通过使中断再次可用开始执行。*/

sti# we can get here from an interrupt handler testl $(VM_MASK),EFLAGS(％esp)/*检测是否返回虚拟8086模式*/movl ％esp,％eax jne v86_signal_return/*如果是，就跳转到v86_signal_return（由于虚拟8086我也不太理解，所以就跳过了，：（*/xorl ％edx,％edx /*system_call需要调用c函数do_signal来释放信号。do_signal需要两个参数，这两个参数都是通过寄存器来传递的；第一个是EAX寄存器，另一个是edx寄存器。system_call已经把第一个参数的值赋给了eax；现在，把edx寄存器和寄存器本身进行xor操作，从而将其清0，这样do_signal就认为这是一个空指针。*/call SYMBOL_NAME(do_signal) /*好，现在就可以调用do_signal来传递信号了*/jmp restore_all /*然后跳转到restore_all结束。

　　ALIGN　　v86_signal_return:　　call SYMBOL_NAME(save_v86_state)　　movl ％eax,％esp　　xorl ％edx,％edx　　call SYMBOL_NAME(do_signal)　　jmp restore_all

tracesys: 前面说过，当有当前进程的系统调用被其祖先跟踪，如strace或truss程序，程序就跳转到此。

　　movl $-ENOSYS,EAX(％esp) /*system_call把存储在堆栈中的EAX拷贝赋予-ENOSYS。*/　　call SYMBOL_NAME(syscall_trace) /*调用syscall_trace*/　　movl ORIG_EAX(％esp),％eax /*在172行再从所作的拷贝中恢复EAX的值*/　　call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,％eax,4) /*调用实际的系统调用。*/　　movl ％eax,EAX(％esp)/*把系统调用的返回值置入堆栈中EAX的位置。*/　　call SYMBOL_NAME(syscall_trace) /*再次调用syscall_trace*/　　jmp ret_from_sys_call P3nLinux联盟
/*被跟踪的系统调用已经返回，控制流程跳转到ret_from_sys_call*/　　badsys: /*前面说过，当系统调用数超过边界值时程序就跳转到这里。*/　　movl $-ENOSYS,EAX(％esp) P3nLinux联盟
/*这时system_call必须返回-ENOSYS，82行把ENOSYS赋值为38。调用　　 者会识别这个错误*/　　jmp ret_from_sys_call /*跳转到ret_from_sys_call*/

ret_from_exception:在诸如除0之类的cpu异常中断情况下将执行到这里；system_call内部代码不会执行到这个标号：

　　movl SYMBOL_NAME(bh_mask),％eax　　andl SYMBOL_NAME(bh_active),％eax　　jne handle_bottom_half　　ALIGN　　ret_from_intr:　　GET_CURRENT(％ebx)　　movl EFLAGS(％esp),％eax# mix EFLAGS and CS　　movb CS(％esp),％al　　testl $(VM_MASK | 3),％eax# return to VM86 mode or non-supervisor?　　jne ret_with_reschedule　　jmp restore_all　　　　ALIGN　　handle_bottom_half:　　call SYMBOL_NAME(do_bottom_half)　　jmp ret_from_intr　　　　ALIGN　　reschedule:　　call SYMBOL_NAME(schedule) # test　　jmp ret_from_sys_call

这以上的代码，我都还不太怎么明白，等我弄明白了就补齐，但基本的system_call的内部核心代码都介绍完了。

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