深入理解系统调用

1. 制作根文件系统，借助BusyBox 构建极简内存根⽂件系统，提供基本的⽤户态可执⾏程序

　　1.0 下载编译Linux内核

# 安装
sudo apt install build-essential
sudo apt install qemu # install QEMU 
sudo apt install libncurses5-dev bison ﬂex libssl-dev libelf-dev

# 重新下载linux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
make -j$(nproc) # nproc gives the number of CPU cores/threads available
# 测试⼀下内核能不能正常加载运⾏，因为没有⽂件系统终会kernel panic
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage  #  此时应该不能正常运行

　　1.1 下载 busybox源代码并编译安装

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

　　1.2 安装后，开始制作

make menuconﬁg 　　# 注意编译成静态链接；  如果运行不成功，可尝试重启虚拟机
Settings  --->
    [*] Build static binary (no shared libs) 
#然后编译安装，默认会安装到源码⽬录下的 _install ⽬录中。 
make -j$(nproc) && make install

　　1.3 制作内存根文件系统镜像

cd ../
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/

　　1.4 准备init脚本文件放在根文件系统根目录下(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

重新启动虚拟机，可以看到成功执行了init脚本

2. 查看linux-5.4.34/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl下系统调用表，10号系统调用为 mprotect; 对应函数为__x64_sys_mprotect

　该系统调用的作用: mprotect(const void *start, size_t len, int prot)函数把自start开始的、长度为len的内存区的保护属性修改为prot指定的值

注意: 所指定的内存区间必须包含整个页, 即区间地址必须和整个系统页大小对齐，且区间长度必须是页大小的整数倍

3. 通过汇编指令触发该系统调用

　创建test.c文件，进行编码

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>

#define PAGESIZE 4096
int main(void)
{
    char *p;
    char c;
   
    /* Allocate a buffer; it will have the default
       protection of PROT_READ|PROT_WRITE. */
    p = malloc(1024+PAGESIZE-1);
    if (!p) {
        printf("Couldn’t malloc(1024)");
    }

    p = (char *)(((int) p + PAGESIZE-1) & ~(PAGESIZE-1));

    c = p[666];         /* Read; ok */
    p[666] = 42;        /* Write; ok */    

    /* Mark the buffer read-only. */
    int res;        // 
    asm volatile(
    　　"mov $0x2, %%edx\n\t"   // 将第3个参数放入 edx 寄存器， 0x2为PROT_READ
    　　"mov $0x400, %%esi\n\t" // 将第二个参数放入 esi 寄存器    
    　　"mov %1, %%rdi\n\t"     // 将第一个参数放入 rdi 寄存器
        "mov $0x0a, %%eax\n\t"  // mprotect 的系统调用号为10，将其放入 eax 寄存器
        "syscall\n\t"           // 触发系统调用
        "mov %%rax, %0\n\t"     // 将函数处理结果返回给 res 变量
        :"=m"(res)
        :"b"(p)
     );    
    printf("The return value is : %d \n", res);    
    if (res) {
        printf("Couldn’t mprotect\n");
    }

    //c = p[666];         /* Read; ok */
    //p[666] = 42;        /* Write; program dies on SIGSEGV */
    return 0;
}

先运行test文件，查看是否成功, 结果为0，表示成功

静态编译该文件得到可执行文件, 并将其放入rootfs/home/目录下,然后重新打包rootfs文件夹:

gcc -o test test.c -static

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

3. 通过gdb跟踪该系统调用的内核处理过程

　运行命令qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s

　重新打开一个终端，在__x64_sys_mprotect处设置断点

　　断点之后，在qemu模拟器执行 ./test，之后会在该入口点处停止，查看系统调用栈(断点处乱码，gdb错误，暂时无法跟踪)

　4. 系统调用过程分析

　4.0 系统调用

　　系统调⽤是通过特定的软件中断（陷阱 trap）向内核发出服务请求，int $0x80和syscall指令的执⾏就会触发⼀个系统调⽤。

　　⼀般每个系统调⽤对应⼀个系统调⽤的封装例程，函数库再⽤这些封装例程定义出给程序员调⽤的API，这些API也就是系统调用的封装，

　在系统调用过程中，用户程序可以通过系统调用来请求内核服务，从而会由用户态转为内核态。　　

　4.1 系统调用初始化

　　在内核初始化过程中，完成了系统调用的初始化，这个过程主要包括中断初始化和系统调用初始化。

　　初始化过程： start_kernel --> trap_init --> cpu_init --> syscall_init　

　　系统调用对应的中断是软中断，向量号为0x80

　　在中断初始化时候，会通过软件中断的处理程序system_call(entry_SYSCALL_64）与0x80关联，

　　便于之后执行系统调用时候，通过int &0x80跳转到system_call中断处理程序入口处

　　而系统调用中，还需要根据系统调用号查找对应的系统调用处理函数，因此需要系统调用的初始化，

　　主要就是系统调用入口和系统调用表的初始化

　　 trap_init函数中调用了cpu_init(arch/x86/kernel/cpu/common.c)函数，该函数会调用

　　调用相同源码文件中的syscall_init完成per-cpu 状态初始化，该函数执行系统调用入口的初始化。

　4.2 系统调用的执行过程　　

int $0x80或syscall指令触发，切换到内核态，并从MSR寄存器找到中断函数入口
开始执⾏system_call（entry_INT80_32或entry_SYSCALL_64）汇编代码
- 通过swapgs 和压栈动作保存现场
- do_syscall_64，在eax寄存器中获取到系统调用号, 根据系统调用号执行对应的系统调用处理函数
- syscall_return_slowpath在调用结束时执行，进行返回, 准备恢复现场，此时可以调用schedul函数做进程调度
- 回到entry_SYSCALL_64，恢复现场

系统调用返回iret/sysret，退出系统调用，回到用户态
继续执行int $0x80或syscall指令的下一条指令

4.3 系统调用过程中内核堆栈的变化

　　通过int $0x80或syscall指令触发，此时内核为空栈，之后通过pt_regs结构定义的堆栈数据结构进行压栈，做现场的保存

　　也就是内核的栈底存放的就是pt_regs结构体内容：从ss到ebx就是整个pt_regs结构

　　恢复现场时候也是按照pt_regs结构进行恢复

查看mprotect对应的源码(linux-5.4.34/mm/mprotect.c)，其对应的入口函数为__x64_sys_mprotect,

整个过程主要函数调用顺序: entry_SYSCALL_64() ---> do_syscall_64 ---> syscall_return_slowpath

4.3 系统调用的入口点在entry_SYSCALL_64处，函数对应源码在arch/x86/entry/entry_64.s文件中

　　主要用于保存和恢复现场ENTRY(entry_SYSCALL_64)

posted @ 2020-05-27 20:04 zhouzwt 阅读(306) 评论(0) 编辑收藏举报

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