深入理解Linux系统调用
一、实验内容
- 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
- 通过汇编指令触发该系统调用
- 通过gdb跟踪该系统调用的内核处理过程
- 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、实验步骤
安装开发工具
sudo apt install build-essential
sudo apt install qemu # install QEMU
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
下载内核源码
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 cd linux-5.4.34
配置内核的编译选项
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)
编译内核
make -j$(nproc) qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage //此时应该无法正常运行
制作根文件系统
axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2 tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2 cd busybox-1.31.1 make menuconfig Settings ---> [*] Build static binary (no shared libs) make -j$(nproc) && make install
制作根文件系统镜像
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/
准备init脚本文件放在根文件系统跟目录下(rootfs/init)，添加如下内容到init文件
#!/bin/sh mount -t proc none /proc mount -t sysfs none /sys echo "Wellcome TestOS!" echo "--------------------" cd home /bin/sh #给init脚本添加可执行权限 chmod +x init #打包成内存根文件系统镜像 find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz #测试挂载根文件系统，看内核启动完成后是否执行init脚本 qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz
内核启动成功
99号系统调用
查阅arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl可知，99号系统调用为sysinfo，其代码入口为__x64_sys_sysinfo。sysinfo()系统调用返回有关内存、交换区使用以及平均负载的统计信息，对应内核处理函数为：__x64_sys_sysinfo。
创建汇编代码进行系统调用
int main() { asm volatile ( "movq $0x63, %rax\n\t" "syscall\n\t" ); return 0; }
编译程序，并打包到根文件系统
gcc syscall99.c -o syscall99 --static cp syscall99 rootfs/home/ find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > rootfs.cpio.gz
3.跟踪和分析
启动qemu
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"
运行gdb，并执行以下命令
file linux-5.4.34/vmlinux target remote:1234 b start_kernel
在内核函数__x64_sys_sysinfo处打断点，执行程序，可以看到断点被成功捕捉到。
系统调用的实现，其核心代码如下
ENTRY(entry_SYSCALL_64) /* ... */ swapgs /* ... */ /* Construct struct pt_regs on stack */ pushq $__USER_DS /* pt_regs->ss */ pushq PER_CPU_VAR(cpu_tss_rw + TSS_sp2) /* pt_regs->sp */ pushq %r11 /* pt_regs->flags */ pushq $__USER_CS /* pt_regs->cs */ pushq %rcx /* pt_regs->ip */ GLOBAL(entry_SYSCALL_64_after_hwframe) pushq %rax /* pt_regs->orig_ax */ /* ... */ /* IRQs are off. */ movq %rax, %rdi movq %rsp, %rsi call do_syscall_64 /* returns with IRQs disabled */ /* ... */ USERGS_SYSRET64 END(entry_SYSCALL_64)
现场的保存的主要工作是由swapgs指令完成的，现代处理器对系统调用的实现做了大量的优化。之后将部分寄存器暂存到栈内形成pt_regs结构体。接下来执行do_call_64函数。它根据ax寄存器中的系统调用号，在sys_call_table中定位对应的内核处理函数
#ifdef CONFIG_X86_64 __visible void do_syscall_64(unsigned long nr, struct pt_regs *regs) { struct thread_info *ti; enter_from_user_mode(); local_irq_enable(); ti = current_thread_info(); if (READ_ONCE(ti->flags) & _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY) nr = syscall_trace_enter(regs); if (likely(nr < NR_syscalls)) { nr = array_index_nospec(nr, NR_syscalls); regs->ax = sys_call_table[nr](regs); #ifdef CONFIG_X86_X32_ABI } else if (likely((nr & __X32_SYSCALL_BIT) && (nr & ~__X32_SYSCALL_BIT) < X32_NR_syscalls)) { nr = array_index_nospec(nr & ~__X32_SYSCALL_BIT, X32_NR_syscalls); regs->ax = x32_sys_call_table[nr](regs); #endif } syscall_return_slowpath(regs);
浙公网安备 33010602011771号