实验二、深入理解系统调用

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、实验过程

　1.环境配置

　　下载linux5.4.34源码

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　　

　　配置内核编译选项

make defconfig
make menuconfig

　　进入如下界面：

　　首先选择Kernel hacking 然后选择 Compile-time checks and compiler options ，勾选其中的三个选项

•  Compile the kernel with debug info 
•  Provide GDB scripts for kernel debugging 

　　然后返回一级菜单，选择 Processor type and features 去除 Randomize the address of the kernel image (KASLR) 选项。

　　编译内核

make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads available

　　制作文件系统

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

　　进入配置 make menuconfig  

　　进入 Settings  勾选 Build static binary (no shared libs)  

 

 　  编译安装  make -j$(nproc) && make install 

　　制作文件系统镜像

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/

　　在rootfs下创建init脚本，添加如下内容

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

　　设置权限  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 

　2.进行gdb调试

　　在arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl中，找到尾号为94的系统调用为lchown

　　

　　创建test.c

int main()
{
    asm volatile(
    "movl $0x5E,%eax\n\t" //使⽤EAX传递系统调⽤号94
    "syscall\n\t" //触发系统调⽤ 
    );
    return 0;
}

　　编译，将生成的文件拷贝到rootfs/home中

gcc -o test test.c -static

　　打包成内存根文件系统镜像

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

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

　　另开一个命令窗口开启gdb gdb vmlinux 

　　设置断点

　　 

　　单步调试

     

  

三、分析

用户态程序触发系统调用；然后系统进入内核态，完成内核初始化后，调用entry_SYSCALL_64 ()。通过 swapgs 指令保存现场

然后从CPU内部的MSR寄存器来查找系统调⽤处理⼊⼝，更改CPU的指令指针（eip/rip）到系统调⽤处理⼊⼝，触发 do_syscall_64。do_syscall_64 根据调用号，执行系统调用相应内容。然后程序跳到 fs/open.c文件，触发了 ksys_chdir() 函数。系统调用完成后执行do_syscall_64 中的 syscall_return_slowpath() ，进行现场恢复操作，然后回用户态。

堆栈切换