2016-03-18 17:10:19 張超《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 我的實驗平臺以及代碼見https://www.shiyanlou.com/courses/reports/986221 實驗
2016-03-18 17:10:19
張超《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
我的實驗平臺以及代碼見https://www.shiyanlou.com/courses/reports/986221
實驗要求：
扒開系統調用的三層皮
使用庫函數觸發一個系統調用
C代碼中嵌入彙編代碼的寫法
使用嵌入式彙編代碼觸發同一個系統調用
系統調用在內核代碼中的處理過程
系統調用：
操作系統為用戶態進程與硬體設備進行交互提供了一組介面——系統調用
把用戶從底層的硬體編程中解放出來
極大的提高了系統的安全性
使用戶程式具有可移植性
API和系統調用
應用編程介面(application program interface, API) 和系統調用是不同的
API只是一個函數定義
系統調用通過軟中斷向內核發出一個明確的請求
Libc庫定義的一些API引用了封裝常式(wrapper routine，唯一目的就是發佈系統調用)
一般每個系統調用對應一個封裝常式
庫再用這些封裝常式定義出給用戶的API
不是每個API都對應一個特定的系統調用。
API可能直接提供用戶態的服務
一個單獨的API可能調用幾個系統調用
不同的API可能調用了同一個系統調用
返回值
大部分封裝常式返回一個整數，其值的含義依賴於相應的系統調用
-1在多數情況下表示內核不能滿足進程的請求
Libc中定義的errno變數包含特定的出錯碼
應用程式、封裝常式、系統調用處理程式及系統調用服務常式之間的關係
系統調用程式及服務常式
當用戶態進程調用一個系統調用時，CPU切換到內核態並開始執行一個內核函數。
在Linux中是通過執行int $0x80來執行系統調用的， 這條彙編指令產生向量為128的編程異常
Intel Pentium II中引入了sysenter指令（快速系統調用），2.6已經支持（本課程不考慮這個）
傳參：
內核實現了很多不同的系統調用， 進程必須指明需要哪個系統調用，這需要傳遞一個名為系統調用號的參數
使用eax寄存器
參數傳遞
系統調用也需要輸入輸出參數，例如
實際的值
用戶態進程地址空間的變數的地址
甚至是包含指向用戶態函數的指針的數據結構的地址
system_call是linux中所有系統調用的入口點，每個系統調用至少有一個參數，即由eax傳遞的系統調用號
一個應用程式調用fork()封裝常式，那麼在執行int $0x80之前就把eax寄存器的值置為2(即__NR_fork)。
這個寄存器的設置是libc庫中的封裝常式進行的，因此用戶一般不關心系統調用號
進入sys_call之後，立即將eax的值壓入內核堆棧
寄存器傳遞參數具有如下限制：
1）每個參數的長度不能超過寄存器的長度，即32位
2）在系統調用號（eax）之外，參數的個數不能超過6個（ebx，ecx，edx，esi，edi，ebp）
系統調用列表參見：
# # 32-bit system call numbers and entry vectors # # The format is: # <number> <abi> <name> <entry point> <compat entry point> # # The abi is always "i386" for this file. # 0 i386 restart_syscall sys_restart_syscall 1 i386 exit sys_exit 2 i386 fork sys_fork stub32_fork 3 i386 read sys_read 4 i386 write sys_write 5 i386 open sys_open compat_sys_open 6 i386 close sys_close 7 i386 waitpid sys_waitpid sys32_waitpid 8 i386 creat sys_creat 9 i386 link sys_link 10 i386 unlink sys_unlink 11 i386 execve sys_execve stub32_execve 12 i386 chdir sys_chdir 13 i386 time sys_time compat_sys_time 14 i386 mknod sys_mknod 15 i386 chmod sys_chmod 16 i386 lchown sys_lchown16 17 i386 break 18 i386 oldstat sys_stat 19 i386 lseek sys_lseek compat_sys_lseek 20 i386 getpid sys_getpid 21 i386 mount sys_mount compat_sys_mount 22 i386 umount sys_oldumount 23 i386 setuid sys_setuid16 24 i386 getuid sys_getuid16 25 i386 stime sys_stime compat_sys_stime 26 i386 ptrace sys_ptrace compat_sys_ptrace 27 i386 alarm sys_alarm 28 i386 oldfstat sys_fstat 29 i386 pause sys_pause 30 i386 utime sys_utime compat_sys_utime 31 i386 stty 32 i386 gtty 33 i386 access sys_access 34 i386 nice sys_nice 35 i386 ftime 36 i386 sync sys_sync 37 i386 kill sys_kill 38 i386 rename sys_rename 39 i386 mkdir sys_mkdir 40 i386 rmdir sys_rmdir 41 i386 dup sys_dup 42 i386 pipe sys_pipe 43 i386 times sys_times compat_sys_times 44 i386 prof 45 i386 brk sys_brk 46 i386 setgid sys_setgid16 47 i386 getgid sys_getgid16 48 i386 signal sys_signal 49 i386 geteuid sys_geteuid16 50 i386 getegid sys_getegid16 51 i386 acct sys_acct 52 i386 umount2 sys_umount 53 i386 lock 54 i386 ioctl sys_ioctl compat_sys_ioctl 55 i386 fcntl sys_fcntl compat_sys_fcntl64 56 i386 mpx 57 i386 setpgid sys_setpgid 58 i386 ulimit 59 i386 oldolduname sys_olduname 60 i386 umask sys_umask 61 i386 chroot sys_chroot 62 i386 ustat sys_ustat compat_sys_ustat 63 i386 dup2 sys_dup2 64 i386 getppid sys_getppid 65 i386 getpgrp sys_getpgrp 66 i386 setsid sys_setsid 67 i386 sigaction sys_sigaction compat_sys_sigaction 68 i386 sgetmask sys_sgetmask 69 i386 ssetmask sys_ssetmask 70 i386 setreuid sys_setreuid16 71 i386 setregid sys_setregid16 72 i386 sigsuspend sys_sigsuspend sys_sigsuspend 73 i386 sigpending sys_sigpending compat_sys_sigpending 74 i386 sethostname sys_sethostname 75 i386 setrlimit sys_setrlimit compat_sys_setrlimit 76 i386 getrlimit sys_old_getrlimit compat_sys_old_getrlimit 77 i386 getrusage sys_getrusage compat_sys_getrusage 78 i386 gettimeofday sys_gettimeofday compat_sys_gettimeofday 79 i386 settimeofday sys_settimeofday compat_sys_settimeofday 80 i386 getgroups sys_getgroups16 81 i386 setgroups sys_setgroups16 82 i386 select sys_old_select compat_sys_old_select 83 i386 symlink sys_symlink 84 i386 oldlstat sys_lstat 85 i386 readlink sys_readlink 86 i386 uselib sys_uselib 87 i386 swapon sys_swapon 88 i386 reboot sys_reboot 89 i386 readdir sys_old_readdir compat_sys_old_readdir 90 i386 mmap sys_old_mmap sys32_mmap 91 i386 munmap sys_munmap 92 i386 truncate sys_truncate compat_sys_truncate 93 i386 ftruncate sys_ftruncate compat_sys_ftruncate 94 i386 fchmod sys_fchmod 95 i386 fchown sys_fchown16 96 i386 getpriority sys_getpriority 97 i386 setpriority sys_setpriority 98 i386 profil 99 i386 statfs sys_statfs compat_sys_statfs 100 i386 fstatfs sys_fstatfs compat_sys_fstatfs 101 i386 ioperm sys_ioperm 102 i386 socketcall sys_socketcall compat_sys_socketcall 103 i386 syslog sys_syslog 104 i386 setitimer sys_setitimer compat_sys_setitimer 105 i386 getitimer sys_getitimer compat_sys_getitimer 106 i386 stat sys_newstat compat_sys_newstat 107 i386 lstat sys_newlstat compat_sys_newlstat 108 i386 fstat sys_newfstat compat_sys_newfstat 109 i386 olduname sys_uname 110 i386 iopl sys_iopl 111 i386 vhangup sys_vhangup 112 i386 idle 113 i386 vm86old sys_vm86old sys32_vm86_warning 114 i386 wait4 sys_wait4 compat_sys_wait4 115 i386 swapoff sys_swapoff 116 i386 sysinfo sys_sysinfo compat_sys_sysinfo 117 i386 ipc sys_ipc compat_sys_ipc 118 i386 fsync sys_fsync 119 i386 sigreturn sys_sigreturn stub32_sigreturn 120 i386 clone sys_clone stub32_clone 121 i386 setdomainname sys_setdomainname 122 i386 uname sys_newuname 123 i386 modify_ldt sys_modify_ldt 124 i386 adjtimex sys_adjtimex compat_sys_adjtimex 125 i386 mprotect sys_mprotect 126 i386 sigprocmask sys_sigprocmask compat_sys_sigprocmask 127 i386 create_module 128 i386 init_module sys_init_module 129 i386 delete_module sys_delete_module 130 i386 get_kernel_syms 131 i386 quotactl sys_quotactl sys32_quotactl 132 i386 getpgid sys_getpgid 133 i386 fchdir sys_fchdir 134 i386 bdflush sys_bdflush 135 i386 sysfs sys_sysfs 136 i386 personality sys_personality 137 i386 afs_syscall 138 i386 setfsuid sys_setfsuid16 139 i386 setfsgid sys_setfsgid16 140 i386 _llseek sys_llseek 141 i386 getdents sys_getdents compat_sys_getdents 142 i386 _newselect sys_select compat_sys_select 143 i386 flock sys_flock 144 i386 msync sys_msync 145 i386 readv sys_readv compat_sys_readv 146 i386 writev sys_writev compat_sys_writev 147 i386 getsid sys_getsid 148 i386 fdatasync sys_fdatasync 149 i386 _sysctl sys_sysctl compat_sys_sysctl 150 i386 mlock sys_mlock 151 i386 munlock sys_munlock 152 i386 mlockall sys_mlockall 153 i386 munlockall sys_munlockall 154 i386 sched_setparam sys_sched_setparam 155 i386 sched_getparam sys_sched_getparam 156 i386 sched_setscheduler sys_sched_setscheduler 157 i386 sched_getscheduler sys_sched_getscheduler 158 i386 sched_yield sys_sched_yield 159 i386 sched_get_priority_max sys_sched_get_priority_max 160 i386 sched_get_priority_min sys_sched_get_priority_min 161 i386 sched_rr_get_interval sys_sched_rr_get_interval compat_sys_sched_rr_get_interval 162 i386 nanosleep sys_nanosleep compat_sys_nanosleep 163 i386 mremap sys_mremap 164 i386 setresuid sys_setresuid16 165 i386 getresuid sys_getresuid16 166 i386 vm86 sys_vm86 sys32_vm86_warning 167 i386 query_module 168 i386 poll sys_poll 169 i386 nfsservctl 170 i386 setresgid sys_setresgid16 171 i386 getresgid sys_getresgid16 172 i386 prctl sys_prctl 173 i386 rt_sigreturn sys_rt_sigreturn stub32_rt_sigreturn 174 i386 rt_sigaction sys_rt_sigaction compat_sys_rt_sigaction 175 i386 rt_sigprocmask sys_rt_sigprocmask 176 i386 rt_sigpending sys_rt_sigpending compat_sys_rt_sigpending 177 i386 rt_sigtimedwait sys_rt_sigtimedwait compat_sys_rt_sigtimedwait 178 i386 rt_sigqueueinfo sys_rt_sigqueueinfo compat_sys_rt_sigqueueinfo 179 i386 rt_sigsuspend sys_rt_sigsuspend 180 i386 pread64 sys_pread64 sys32_pread 181 i386 pwrite64 sys_pwrite64 sys32_pwrite 182 i386 chown sys_chown16 183 i386 getcwd sys_getcwd 184 i386 capget sys_capget 185 i386 capset sys_capset 186 i386 sigaltstack sys_sigaltstack compat_sys_sigaltstack 187 i386 sendfile sys_sendfile compat_sys_sendfile 188 i386 getpmsg 189 i386 putpmsg 190 i386 vfork sys_vfork stub32_vfork 191 i386 ugetrlimit sys_getrlimit compat_sys_getrlimit 192 i386 mmap2 sys_mmap_pgoff 193 i386 truncate64 sys_truncate64 sys32_truncate64 194 i386 ftruncate64 sys_ftruncate64 sys32_ftruncate64 195 i386 stat64 sys_stat64 sys32_stat64 196 i386 lstat64 sys_lstat64 sys32_lstat64 197 i386 fstat64 sys_fstat64 sys32_fstat64 198 i386 lchown32 sys_lchown 199 i386 getuid32 sys_getuid 200 i386 getgid32 sys_getgid 201 i386 geteuid32 sys_geteuid 202 i386 getegid32 sys_getegid 203 i386 setreuid32 sys_setreuid 204 i386 setregid32 sys_setregid 205 i386 getgroups32 sys_getgroups 206 i386 setgroups32 sys_setgroups 207 i386 fchown32 sys_fchown 208 i386 setresuid32 sys_setresuid 209 i386 getresuid32 sys_getresuid 210 i386 setresgid32 sys_setresgid 211 i386 getresgid32 sys_getresgid 212 i386 chown32 sys_chown 213 i386 setuid32 sys_setuid 214 i386 setgid32 sys_setgid 215 i386 setfsuid32 sys_setfsuid 216 i386 setfsgid32 sys_setfsgid 217 i386 pivot_root sys_pivot_root 218 i386 mincore sys_mincore 219 i386 madvise sys_madvise 220 i386 getdents64 sys_getdents64 compat_sys_getdents64 221 i386 fcntl64 sys_fcntl64 compat_sys_fcntl64 # 222 is unused # 223 is unused 224 i386 gettid sys_gettid 225 i386 readahead sys_readahead sys32_readahead 226 i386 setxattr sys_setxattr 227 i386 lsetxattr sys_lsetxattr 228 i386 fsetxattr sys_fsetxattr 229 i386 getxattr sys_getxattr 230 i386 lgetxattr sys_lgetxattr 231 i386 fgetxattr sys_fgetxattr 232 i386 listxattr sys_listxattr 233 i386 llistxattr sys_llistxattr 234 i386 flistxattr sys_flistxattr 235 i386 removexattr sys_removexattr 236 i386 lremovexattr sys_lremovexattr 237 i386 fremovexattr sys_fremovexattr 238 i386 tkill sys_tkill 239 i386 sendfile64 sys_sendfile64 240 i386 futex sys_futex compat_sys_futex 241 i386 sched_setaffinity sys_sched_setaffinity compat_sys_sched_setaffinity 242 i386 sched_getaffinity sys_sched_getaffinity compat_sys_sched_getaffinity 243 i386 set_thread_area sys_set_thread_area 244 i386 get_thread_area sys_get_thread_area 245 i386 io_setup sys_io_setup compat_sys_io_setup 246 i386 io_destroy sys_io_destroy 247 i386 io_getevents sys_io_getevents compat_sys_io_getevents 248 i386 io_submit sys_io_submit compat_sys_io_submit 249 i386 io_cancel sys_io_cancel 250 i386 fadvise64 sys_fadvise64 sys32_fadvise64 # 251 is available for reuse (was briefly sys_set_zone_reclaim) 252 i386 exit_group sys_exit_group 253 i386 lookup_dcookie sys_lookup_dcookie compat_sys_lookup_dcookie 254 i386 epoll_create sys_epoll_create 255 i386 epoll_ctl sys_epoll_ctl 256 i386 epoll_wait sys_epoll_wait 257 i386 remap_file_pages sys_remap_file_pages 258 i386 set_tid_address sys_set_tid_address 259 i386 timer_create sys_timer_create compat_sys_timer_create 260 i386 timer_settime sys_timer_settime compat_sys_timer_settime 261 i386 timer_gettime sys_timer_gettime compat_sys_timer_gettime 262 i386 timer_getoverrun sys_timer_getoverrun 263 i386 timer_delete sys_timer_delete 264 i386 clock_settime sys_clock_settime compat_sys_clock_settime 265 i386 clock_gettime sys_clock_gettime compat_sys_clock_gettime 266 i386 clock_getres sys_clock_getres compat_sys_clock_getres 267 i386 clock_nanosleep sys_clock_nanosleep compat_sys_clock_nanosleep 268 i386 statfs64 sys_statfs64 compat_sys_statfs64 269 i386 fstatfs64 sys_fstatfs64 compat_sys_fstatfs64 270 i386 tgkill sys_tgkill 271 i386 utimes sys_utimes compat_sys_utimes 272 i386 fadvise64_64 sys_fadvise64_64 sys32_fadvise64_64 273 i386 vserver 274 i386 mbind sys_mbind 275 i386 get_mempolicy sys_get_mempolicy compat_sys_get_mempolicy 276 i386 set_mempolicy sys_set_mempolicy 277 i386 mq_open sys_mq_open compat_sys_mq_open 278 i386 mq_unlink sys_mq_unlink 279 i386 mq_timedsend sys_mq_timedsend compat_sys_mq_timedsend 280 i386 mq_timedreceive sys_mq_timedreceive compat_sys_mq_timedreceive 281 i386 mq_notify sys_mq_notify compat_sys_mq_notify 282 i386 mq_getsetattr sys_mq_getsetattr compat_sys_mq_getsetattr 283 i386 kexec_load sys_kexec_load compat_sys_kexec_load 284 i386 waitid sys_waitid compat_sys_waitid # 285 sys_setaltroot 286 i386 add_key sys_add_key 287 i386 request_key sys_request_key 288 i386 keyctl sys_keyctl 289 i386 ioprio_set sys_ioprio_set 290 i386 ioprio_get sys_ioprio_get 291 i386 inotify_init sys_inotify_init 292 i386 inotify_add_watch sys_inotify_add_watch 293 i386 inotify_rm_watch sys_inotify_rm_watch 294 i386 migrate_pages sys_migrate_pages 295 i386 openat sys_openat compat_sys_openat 296 i386 mkdirat sys_mkdirat 297 i386 mknodat sys_mknodat 298 i386 fchownat sys_fchownat 299 i386 futimesat sys_futimesat compat_sys_futimesat 300 i386 fstatat64 sys_fstatat64 sys32_fstatat 301 i386 unlinkat sys_unlinkat 302 i386 renameat sys_renameat 303 i386 linkat sys_linkat 304 i386 symlinkat sys_symlinkat 305 i386 readlinkat sys_readlinkat 306 i386 fchmodat sys_fchmodat 307 i386 faccessat sys_faccessat 308 i386 pselect6 sys_pselect6 compat_sys_pselect6 309 i386 ppoll sys_ppoll compat_sys_ppoll 310 i386 unshare sys_unshare 311 i386 set_robust_list sys_set_robust_list compat_sys_set_robust_list 312 i386 get_robust_list sys_get_robust_list compat_sys_get_robust_list 313 i386 splice sys_splice 314 i386 sync_file_range sys_sync_file_range sys32_sync_file_range 315 i386 tee sys_tee 316 i386 vmsplice sys_vmsplice compat_sys_vmsplice 317 i386 move_pages sys_move_pages compat_sys_move_pages 318 i386 getcpu sys_getcpu 319 i386 epoll_pwait sys_epoll_pwait 320 i386 utimensat sys_utimensat compat_sys_utimensat 321 i386 signalfd sys_signalfd compat_sys_signalfd 322 i386 timerfd_create sys_timerfd_create 323 i386 eventfd sys_eventfd 324 i386 fallocate sys_fallocate sys32_fallocate 325 i386 timerfd_settime sys_timerfd_settime compat_sys_timerfd_settime 326 i386 timerfd_gettime sys_timerfd_gettime compat_sys_timerfd_gettime 327 i386 signalfd4 sys_signalfd4 compat_sys_signalfd4 328 i386 eventfd2 sys_eventfd2 329 i386 epoll_create1 sys_epoll_create1 330 i386 dup3 sys_dup3 331 i386 pipe2 sys_pipe2 332 i386 inotify_init1 sys_inotify_init1 333 i386 preadv sys_preadv compat_sys_preadv 334 i386 pwritev sys_pwritev compat_sys_pwritev 335 i386 rt_tgsigqueueinfo sys_rt_tgsigqueueinfo compat_sys_rt_tgsigqueueinfo 336 i386 perf_event_open sys_perf_event_open 337 i386 recvmmsg sys_recvmmsg compat_sys_recvmmsg 338 i386 fanotify_init sys_fanotify_init 339 i386 fanotify_mark sys_fanotify_mark compat_sys_fanotify_mark 340 i386 prlimit64 sys_prlimit64 341 i386 name_to_handle_at sys_name_to_handle_at 342 i386 open_by_handle_at sys_open_by_handle_at compat_sys_open_by_handle_at 343 i386 clock_adjtime sys_clock_adjtime compat_sys_clock_adjtime 344 i386 syncfs sys_syncfs 345 i386 sendmmsg sys_sendmmsg compat_sys_sendmmsg 346 i386 setns sys_setns 347 i386 process_vm_readv sys_process_vm_readv compat_sys_process_vm_readv 348 i386 process_vm_writev sys_process_vm_writev compat_sys_process_vm_writev 349 i386 kcmp sys_kcmp 350 i386 finit_module sys_finit_module 351 i386 sched_setattr sys_sched_setattr 352 i386 sched_getattr sys_sched_getattr 353 i386 renameat2 sys_renameat2 354 i386 seccomp sys_seccomp 355 i386 getrandom sys_getrandom 356 i386 memfd_create sys_memfd_create 357 i386 bpf sys_bpf系統調用
使用庫函數觸發一個系統調用
在這裡我們選用的是：20 getpid
getpid（取得進程識別碼）
相關函數： fork，kill，getpid
表頭文件： #include<unistd.h>
定義函數： pid_t getpid(void);
函數說明：
getpid（）用來取得目前進程的進程識別碼，許多程式利用取到的此值來建立臨時文件，以避免臨時文件相同帶來的問題。
返回值： 目前進程的進程識別碼
我寫了一個函數來觸發getpid的系統調用：
1 #include <unistd.h> 2 #include <stdio.h> 3 4 int main() 5 { 6 pid_t pid; 7 8 pid = getpid(); 9 printf("pid = %d\n",pid); 10 11 return 0; 12 }getpid.c
實驗截圖：
C代碼中嵌入彙編代碼的寫法
內嵌彙編語法
什麼是用戶態和內核態？
一般現代CPU都有幾種不同的指令執行級別
在高執行級別下，代碼可以執行特權指令，訪問任意的物理地址，這種CPU執行級別就對應著內核態
而在相應的低級別執行狀態下，代碼的掌控範圍會受到限制。只能在對應級別允許的範圍內活動
舉例：
intel x86 CPU有四種不同的執行級別0-3，Linux只使用了其中的0級和3級分別來表示內核態和用戶態
cs寄存器的最低兩位表明瞭當前代碼的特權級
CPU每條指令的讀取都是通過cs:eip這兩個寄存器：其中cs是代碼段選擇寄存器，eip是偏移量寄存器。
上述判斷由硬體完成
一般來說在Linux中，地址空間是一個顯著的標誌：
0xc0000000以上的地址空間只能在內核態下訪問，0x00000000－0xbfffffff的地址空間在兩種狀態下都可以訪問
註意:這裡所說的地址空間是邏輯地址而不是物理地址
用戶態 vs 內核態
從用戶態切換到內核態時必須保存用戶態的寄存器上下文
中斷/int指令會在堆棧上保存一些寄存器的值
如：用戶態棧頂地址、當時的狀態字、當時的cs:eip的值
保護現場和恢復現場
保護現場 就是 進入中斷程式 保存 需要用到的 寄存器 的 數據，
恢復現場 就是 退出中斷程式 恢復 保存 寄存器 的 數據，
引入虛擬記憶體是因為物理記憶體有限，是一種稀缺資源，並且有局部性原理，即空間局部性、時間局部性
進程的地址空間
獨立的地址空間（32位，4GB），每個進程一個
在Linux中，3G以上是內核空間，3G以下是用戶空間
4G的進程地址空間使用進程私有的二級頁表進行地址轉換（虛擬地址
