linux 系统调用分析

标签：__ 调用 SYSCALL openat 系统 oflag mode linux INLINE

一、linux系统调用介绍

linux系统调用是linux为用户空间与内核空间交换提供的一组标准API，这些api能够让用户态进程访问内核代码，从而实现系统资源、硬件、文件读写的访问。需要注意的是，系统调用是用户态进入内核态的唯一入口，为了保证linux内核运行的稳定性，用户程序不能随意的访问内核，必须是经过校验、满足访问权限的程序才能调用相应的系统调用。 linux系统调用又被称为syscall，是通过中断方式实现，在arm平台上通过swi软中断实现系统调用。Linux系统调用主要分为以下几类： 1、文件操作：例如open、read、write、close等，用于对文件进行读写和其他操作。 2、进程管理：例如fork、exec、wait等，用于创建新进程、执行新程序、等待子进程结束等。 3、信号处理：例如kill、signal、sigaction等，用于发送信号、处理信号等。 4、网络通信：例如socket、bind、listen、accept、connect、send、recv等，用于创建套接字、绑定地址、监听连接、建立连接、发送和接收数据等。 5、系统信息获取：例如getpid、getppid、getuid、getgid等，用于获取当前进程ID、父进程ID、用户ID、组ID等信息。 6、时间操作：例如time、sleep等，用于获取当前时间、延迟进程执行等。其他操作：例如chmod、chown、mkdir、rmdir等，用于改变文件权限、改变文件所有者、创建目录、删除目录等。 7、Linux系统调用是应用程序与内核之间的关键接口，它们使得应用程序能够利用操作系统的底层功能和服务，实现各种复杂的操作。对于Linux程序员来说，了解和熟悉系统调用的使用方法和机制是非常重要的。

二、linux系统调用流程（基于kernel-5.10）

当用户态执行系统调用时，会根据用户的操作，例如open转化为宏__NR_openat（注意最新glibc的open底层是由openat实现），然后在glibc中的linux/arm/arch-syscall.h找到对应的系统调用号，然后将系统调用号填入系统调用寄存器R7中，然后调用系统软中断swi，陷入内核态，然后在根据内核中断异常表（内核编译时读取arch/arm/tools/syscall.tbl生成的arch/arm/include/generated/calls-oabi.S or calls-eabi.S），调用相应的内核api接口sys_open。下面是open函数从用户态到内核态的详细调用流程（基于glibc-2.34）：

1、step1

open->
 weak_alias (__libc_open, open)-> //open函数的别名为__libc_open
  __libc_open->
   SYSCALL_CANCEL (openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
    INLINE_SYSCALL_CALL (__VA_ARGS__)

2、step2 展开宏INLINE_SYSCALL_CALL

INLINE_SYSCALL_CALL (__VA_ARGS__)->
 INLINE_SYSCALL_CALL(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->

#define INLINE_SYSCALL_CALL(...) \
  __INLINE_SYSCALL_DISP (__INLINE_SYSCALL, __VA_ARGS__)

3、step3 展开宏__INLINE_SYSCALL_DISP

INLINE_SYSCALL_CALL(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
 __INLINE_SYSCALL_DISP (__INLINE_SYSCALL,openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)

#define __INLINE_SYSCALL_DISP(b,...) \
  __SYSCALL_CONCAT (b,__INLINE_SYSCALL_NARGS(__VA_ARGS__))(__VA_ARGS__)

4、step4展开宏__SYSCALL_CONCAT

__INLINE_SYSCALL_DISP (__INLINE_SYSCALL,openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
  __SYSCALL_CONCAT(__INLINE_SYSCALL,__INLINE_SYSCALL_NARGS(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode))(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
    __SYSCALL_CONCAT(__INLINE_SYSCALL,__INLINE_SYSCALL_NARGS_X (openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode,7,6,5,4,3,2,1,0,))(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
      __SYSCALL_CONCAT(__INLINE_SYSCALL,4)(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
         __SYSCALL_CONCAT_X (__INLINE_SYSCALL,4)(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode) 
 
#define __INLINE_SYSCALL_NARGS(...) \
  __INLINE_SYSCALL_NARGS_X (__VA_ARGS__,7,6,5,4,3,2,1,0,)
#define __INLINE_SYSCALL_NARGS_X(a,b,c,d,e,f,g,h,n,...) n
#define __SYSCALL_CONCAT(a,b) __SYSCALL_CONCAT_X (a, b)

5、step5展开宏__SYSCALL_CONCAT_X

__SYSCALL_CONCAT_X (__INLINE_SYSCALL,4)(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode) -> 
  __INLINE_SYSCALL4(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)

#define __INLINE_SYSCALL4(name, a1, a2, a3, a4) INLINE_SYSCALL (name, 4, a1, a2, a3, a4)

6、step6展开宏__INLINE_SYSCALL4

__INLINE_SYSCALL4(openat, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
  INLINE_SYSCALL (openat, 4 , AT_FDCWD, file, oflag, mode)

#define INLINE_SYSCALL(name, nr, args...)                \
  ({                                    \
    long int sc_ret = INTERNAL_SYSCALL (name, nr, args);        \
    __glibc_unlikely (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (sc_ret))        \
    ? SYSCALL_ERROR_LABEL (INTERNAL_SYSCALL_ERRNO (sc_ret))        \
    : sc_ret;                                \
  })

7、step7展开宏INLINE_SYSCALL到这里就与CPU架构相关了，以arm为例）

INLINE_SYSCALL (openat, 4 , AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
  INTERNAL_SYSCALL (openat, 4, AT_FDCWD, file, oflag, mode)
  
#define INTERNAL_SYSCALL(name, nr, args...)            \
    INTERNAL_SYSCALL_RAW(SYS_ify(name), nr, args)

8、step8展开宏INTERNAL_SYSCALL

INTERNAL_SYSCALL (openat, 4, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
  INTERNAL_SYSCALL_RAW(SYS_ify(openat), 4, AT_FDCWD, file, oflag, mode)
 
#define SYS_ify(syscall_name)    (__NR_##syscall_name)

9、step9展开宏SYS_ify

INTERNAL_SYSCALL_RAW(SYS_ify(openat), 4, AT_FDCWD, file, oflag, mode)->
 INTERNAL_SYSCALL_RAW(__NR_openat,4, AT_FDCWD, file, oflag, mode)

10、step10 宏展开完毕，进入汇编

define INTERNAL_SYSCALL_RAW(name, nr, args...)        \
  ({                                \
       register int _a1 asm ("r0"), _nr asm ("r7");        \
       LOAD_ARGS_##nr (args)                    \
       _nr = name;                        \
       asm volatile ("swi    0x0    @ syscall " #name    \
             : "=r" (_a1)                \
             : "r" (_nr) ASM_ARGS_##nr            \
             : "memory");                \
       _a1; })

INTERNAL_SYSCALL_RAW(__NR_openat,4, AT_FDCWD, file, oflag, mode)
------->
{
    register int _a1 asm ("r0"), _nr asm ("r7");
    LOAD_ARGS_##nr (args) //展开args，然后设置到相应的寄存器中
    _nr = name;
    //执行swi软中断，根据系统调用号，执行对应的内核函数
    asm volatile ("swi    0x0    @ syscall " #name    \                  
               :     "=r" (_a1)                \
                 : "r" (_nr) ASM_ARGS_##nr            \
                 : "memory");                \
    _a1; 
}

11、step11 中断编号查找

__NR_openat的系统调用号，可以在glibc-2.34源码sysdeps/unix/sysv/linux/arm/arch-syscall.h找到

系统调用号在内核的调用函数，可以在arch/arm/tools/syscall.tbl中找到

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From： https://www.cnblogs.com/linux-dafei/p/18167396