实验地址：操作系统原理与实践 - 系统调用 - 蓝桥云课 (lanqiao.cn) 实验内容：系统调用 | HIT-OSLAB-MANUAL (gitbooks.io) 这个实验中首先要在系统源代码中添加两个系统调用，然后在用户层面实现这两个系统调用的API，并写两个小程序测试这两个系统调用。本次实验理解了系统调用的具体实现过程，以及如何添加一个系统调用，此外也学会了怎么用宏模板生成函数，以及Linux 中返回值errno的使用方法。一、添加系统调用 1.在Linux 0.11源码include/unistd.h中添加系统调用号 ... #ifdef __LIBRARY __ ... #define __NR_whoami 72 #define __NR_iam 73 unistd.h还提供了系统调用API的宏模板，这将会在后面分析。 2.在kernel/system_call.s中修改系统调用总数原先总共有72个系统调用，添加2个系统调用后变成74个。 ... nr_system_calls = 74 // 第61行 ... 3.在include/linux/sys.h中的系统调用表sys_call_table里添加系统调用服务例程的函数签名仿照其他函数声明，添加两个系统调用服务例程的声明，并在系统调用表sys_call_table（函数指针数组）的最后添加两个系统调用服务例程的函数名，这里顺序一定不能错。 ... extern int sys_whoami(); //第73行 extern int sys_iam(); fn_ptr sys_call_table[] = { sys_setup, sys_exit, ... , sys_whoami, sys_iam}; 4.在kernel/who.c中实现系统调用服务例程当系统调用的参数是指针的时候，就涉及到用户态和内核态之间数据传输问题了。传递的指针参数是指向用户空间地址的，如果在内核态之间访问这个地址，我们访问的是内核空间的地址，而不是用户空间中的地址。好在有函数可以解决这个问题。在内核态中获取用户空间数据： get_fs_xxx(const xxx* addr); 从内核态向用户空间写数据： put_fs_xxx(xxx val, const xxx* addr); xxx有三种：char, word, long 头文件：include/asm/segment.h #include #include #include #include static char str[24]; static unsigned long len; int sys_iam(const char* name) { int i; char tmp[24]; for(i = 0; i < 24; i++) { tmp[i] = get_fs_byte(name + i); if(tmp[i] == 0) break; } if(i == 24) { return -(EINVAL); } // clear str for(i = 0; i < 24; i++) { str[i] = 0; } // copy for(i = 0; tmp[i] != 0; i++) { str[i] = tmp[i]; } len = i; return len; } int sys_whoami(char* name, unsigned int size) { int i; if(size < len) { return -(EINVAL); } for(i = 0; i < size && str[i] != 0; i++) { put_fs_byte(str[i], name + i); } put_fs_byte(0, name + i); return len; } 需要注意的是当传进来的字符串过长，需要return -(EINVAL)，原因在后面写出。 5.修改Makefile并重新编译系统按Makefile语法添加新的who.c就可以了。二、应用层实现系统调用API和测试程序 1.在编译好的Linux 0.11系统中，添加系统调用号在编译好的Linux 0.11 环境下编写并编译 C 程序，包含的头文件都在 /usr/include 目录下。注意 /usr/include/unistd.h 并没有我们新添加的系统调用号，手动添加一遍就行了。 // File : /usr/include/unistd.h ... #ifdef __LIBRARY__ ... #define __NR_whoami 72 #define __NR_iam 73 2.实现新的系统调用的API 想使用系统调用iam/ whoami ，就需要有相应的系统调用API。在 /usr/include/unistd.h 中，有linus预先写好的系统调用API宏模板 _syscalln() ，其中n表示的是系统调用的参数个数。 #define _syscall1(type,name,atype,a) \ type name(atype a) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a))); \ if (__res >= 0) \ return (type) __res; \ errno = -__res; \ return -1; \ } #define _syscall2(type,name,atype,a,btype,b) \ type name(atype a,btype b) \ { \ long __res; \ __asm__ volatile ("int $0x80" \ : "=a" (__res) \ : "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a)),"c" ((long)(b))); \ if (__res >= 0) \ return (type) __res; \ errno = -__res; \ return -1; \ } 注意使用时首先要先 define __LIBRARY__ ，因此我们可以轻松生成系统调用的API： #define __LIBRARY__ #include _syscall1(int, iam, char*, name) 这样编译器就会自动生成如下的iam()函数，whoami()同理。 int iam(char* name) { long __res; __asm__ volatile ("int $0x80" : "=a" (__res) : "0" (__NR_iam), "b"((long)(a)); if(__res >= 0) return (int) __res; errno = -__res; return -1; } 这里还有一点需要注意，实验内容要求系统调用API在参数不合理时返回-1并置errno为EINVAL。从上面宏展开可知，errno是一个存在于用户空间的全局变量，其值是系统调用处理程序返回值的负值，所以系统调用服务例程在参数不合理时应写成return -(EINVAL)。 3.测试程序按照实验要求，测试程序和上面的系统调用API写在同一个文件里了。 // File : iam.c #define __LIBRARY__ #include #include _syscall1(int, iam, char*, name) int main(int argc, char* argv[]) { if(argc <= 1){ printf("input error\n"); return -1; } iam(argv[1]); return 0; } // File : whoami.c #define __LIBRARY__ #include #include _syscall2(int, whoami, char*, name, unsigned int, size) char name[25] = {}; int main(int argc, char* argv[]) { whoami(name, 25); printf("%s\n", name); return 0; } 将上述文件编译运行即可实现实验要求，并且可以通过老师的测试脚本testlab2.sh和测试程序testlab2.c。三、系统调用过程分析 1.应用程序调用库函数（API）： API并不完成系统调用的功能，而是去调用真正的系统调用，如_syscalln()一样，把系统调用号存入EAX，把参数存入EBX、ECX、EDX寄存器中，然后触发0x80号中断。 2.触发0x80中断后进入中断处理函数，调用相应的系统调用服务例程：系统从 int 0x80 进入内核态，根据中断向量表IDT，自动调用80号中断对应的中断处理例程 system_call (kernel/system_call.s) 。 system_call 首先判断中断号是否在合法范围内，将ebx，ecx，edx参数压栈，然后通过 call sys_call_table(,%eax, 4) 调用eax中系统调用号对应的系统调用服务例程。sys_call_table(include/linux/sys.h)是函数指针数组，定义在 include/linux/sys.h 中。在32位系统下，地址是4字节的，所以sys_call_table+ 4 * %eax就是我们要调用的系统调用服务例程。添加系统调用，就要在这个表中添加我们的系统调用函数。 3.系统调用服务例程完成功能，将返回值存入 EAX，返回到中断处理函数， 4.中断处理函数再返回到应用层的 API 中，API 再把 EAX 返回给应用程序。

“操作系统原理实验”实验报告