深入理解系统调用

1. 实验要求

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• 本人学号后两位为53，则寻找系统调用号为53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

2. 环境搭建

2.1 安装环境

在实验一中已经安装过了环境，如果需要可以按照以下命令：

sudo apt install build-essential
sudo apt install qemu
sudo apt install libncurses5-dev bison flex libssl-dev libelf-dev
sudo apt install axel
axel -n 20 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.4.34.tar.xz
# 建议不要使用上面命令，下载慢，可以提前下载好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

2.2 配置内核编译选项

运行以下命令：

 make defconfig 
 make menuconfig

进入 Kernel hacking的Compile-time checks and compiler options：

进入Processor type and features：

2.3 编译内核

运行以下命令：

make -j$(nproc)
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage

由于没有文件系统，最终会 kernel panic

2.4 利用busybox制作根文件系统

下载并制作根文件系统：

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
make -j$(nproc) && make install

在配置选项时进入Settings，选择Build static binary (no shared libs)

制作内存根文件系统镜像：

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/

编写init脚本，并修改权限：

vi init

#!/bin/sh
mount -t proc none /proc mount -t sysfs none /sys
echo "Wellcome WangbaOS!"
cd home
/bin/sh

chmod +x init

打包成内存根文件系统镜像，并测试挂载根文件系统：

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

cd ..

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz

运行结果如下：

3. 汇编指令触发该系统调用

3.1 查询系统调用号为53为的系统调用

使用以下命令查询：

cd linux-5.4.34/arch/x86/entry/syscalls  # 进入syscalls文件夹

cat syscall_64.tbl | grep 53  # 查询和53相关的系统调用

可以看到是 socketpair：

使用手册看该函数：

man socketpair

从上面的描述中可以看出：

socketpair 函数用于创建一对无名的、相互连接的套接字；如果函数成功，则返回0，创建好的套接字分别是sv[0]和sv[1]；否则返回-1，错误码保存于errno中。

3.2 编写普通汇编调用代码

在 rootfs/home 编写socketpair.c，如下：

#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <error.h> 
#include <errno.h> 
#include <sys/socket.h> 
#include <stdlib.h> 
 
const char* str = "SOCKET PAIR TEST.";
 
int main(int argc, char* argv[]){
    char buf[128] = {0};
    int socket_pair[2]; 
    pid_t pid; 
 
    if(socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, socket_pair) == -1 ) { 
      // 如果返回-1，打印errno
        printf("Error, socketpair create failed, errno(%d): %s\n", errno, strerror(errno));
        return EXIT_FAILURE; 
    } 
 
    int size = write(socket_pair[0], str, strlen(str));  	// 将str从socket_pair[0]写入
  
    read(socket_pair[1], buf, size);
    printf("Read result: %s\n",buf);    // 将str从socket_pair[1]读出，并打印结果
  
    return EXIT_SUCCESS;    
} 

gcc 静态编译，并运行，可以看到 str 的值：

4. 利用gdb跟踪系统调用的内核处理过程

4.1 重新制作根文件系统，并启动qemu

find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz

cd ..

qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"

重新打开一个终端，并运行以下命令：

# 打开gdb
gdb vmlinux
target remote:1234

# 并在gdb中对__x64_sys_socketpair进行断点
b __x64_sys_socketpair

输入c(continue)继续运行。

4.2 在qemu窗口运行程序并在gdb窗口进行单步调试

qemu窗口：

gdb窗口：

可以看到调用了 net/socket.c下的1619行：

又调用了do_syscall_64：

继续调用了entry_SYSCALL_64 ()

整个流程大概如下：

用户态：

​ socketpair.c ----> __x64_sys_socketpair ----> _sys_socketpair

内核态：

​ entry_SYSCALL_64 () ----> do_syscall_64 ----> _sys_socketpair ----> do_syscall_64 ----> syscall_return_slowpath() ----> entry_SYSCALL_64 ()