2020-2021-1 20209323《Linux内核原理与分析》第五周作业

一、系统调用的三层机制

1、用户态、内核态和中断

• 用户态：较低的执行级别，只能访问一部分内存，只能执行一部分指令。
• 内核态：高级执行级别，可以访问任意物理内存，可以执行特权指令。
• 中    断：系统从用户态进入内核态的主要方式。有硬件中断和软中断两种，系统调用就是通过软中断进入内核态。

2、系统调用

   操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口——系统调用

• 把用户从底层的硬件编程中解放出来
• 极大的提高了系统的安全性
• 使用户程序具有可移植性

3、API和系统调用

1）应用编程接口(application program interface, API) 和系统调用是不同的

• API只是一个函数定义，系统调用通过软中断向内核发出一个明确的请求
• Libc库定义的一些API引用了封装例程，一般每个系统调用对应一个封装例程，库再用这些封装例程定义出给用户的API

2）不是每个API都对应一个特定的系统调用。

• API可能直接提供用户态的服务
• 一个单独的API可能调用几个系统调用
• 不同的API可能调用了同一个系统调用

3）返回值

• 大部分封装例程返回一个整数，其值的含义依赖于相应的系统调用
• -1在多数情况下表示内核不能满足进程的请求
• Libc中定义的errno变量包含特定的出错码

4、应用程序、封装例程、系统调用处理程序及系统调用服务例程之间的关系

二、实验（使用库函数API和C代码嵌入汇编代码触发同一个系统调用）

1、使用库函数API触发一个系统调用

//time.c
#include<stdio.h>
#include<time.h>

int main()
{
    time_t tt;
    struct tm *t;
    tt = time(NULL);
    t = localtime(&tt);
    printf("time:%d:%d:%d:%d:%d:%d:\n",t->tm_year+1900,t->tm_mon,t->tm_mday,t->tm_hour,t->tm_min,t->tm_sec);
    return 0;
}

虚拟机使用的是64位系统，gcc编译时需要加一个m32的参数输出32位的机器码， gcc -m32 -o time time.c 

从运行结果可以看出，当前时间的月份提前了一个月，这是因为：结构体tm中定义的月份是从0开始计数的，所以为了得到当前时间，需要将mon+1，结构体tm如下：

struct tm
{    
    int tm_sec;  /*秒，正常范围0-59， 但允许至61*/    
    int tm_min;  /*分钟，0-59*/    
    int tm_hour; /*小时， 0-23*/    
    int tm_mday; /*日，即一个月中的第几天，1-31*/    
    int tm_mon;  /*月， 从一月算起，0-11 1+p->tm_mon;  */ 
    int tm_year;  /*年， 从1900至今已经多少年 1900＋ p->tm_year;  */ 
    int tm_wday; /*星期，一周中的第几天， 从星期日算起，0-6*/    
    int tm_yday; /*从今年1月1日到目前的天数，范围0-365*/    
    int tm_isdst; /*日光节约时间的旗标*/
};

 2、C代码中嵌入汇编代码触发一个系统调用

用汇编方式触发系统调用获取系统当前时间，time_asm.c源代码如下， 可见，除了"tt = time(NULL);"一句用内嵌汇编代替外，与前述的“使用库函数API触发一个系统调用”中的代码完全一致。

#include<stdio.h>
#include<time.h>

int main(){
    time_t tt;
    struct tm *t;
    asm volatile(
        "movl $0,%%ebx;\n\t"    //把ebx寄存器清0
        "movl $0xd,%%eax;\n\t"  //eax用于传递系统调用号
        "int $0x80;\n\t"        //触发系统调用陷入内核执行系统调用内核处理函数
        "movl %%eax,%0;\n\t"    //系统调用的返回值通过eax返回
        :"=m"(tt)
        :
        :"eax","ebx"
    );
    t = localtime(&tt);
    printf("time:%d:%d:%d:%d:%d:%d:\n",t->tm_year+1900,t->tm_mon+1,t->tm_mday,t->tm_hour,t->tm_min,t->tm_sec);
    return 0;
}