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linux内核设计与实现:系统调用

  上面已经提到,除了系统调用号以外,还需要一些外部的参数输入。最简单的办法就是像传递系统调用号一样把这些参数也存放在寄存器里。在x86系统上ebx,ecx,edx,esi和edi按照顺序存放前5个参数。需要六个或六个以上参数的情况不多见,此时,应该用一个单独的寄存器存放指向所有这些参数在用户空间地址的指针。给用户空间的返回值也通过寄存器传递。在x86系统上,它存放在eax寄存器中。

  系统调用必须仔细检查它们所有的参数是否合法有效。系统调用在内核空间执行。如果任由用户将不合法的输入传递给内核,那么系统的安全和稳定将面临极大的考验。最重要的一种检查就是检查用户提供的指针是否有效,内核在接收一个用户空间的指针之前,内核必须要保证:

  1)指针指向的内存区域属于用户空间。

  2)指针指向的内存区域在进程的地址空间里。

  3)如果是读,读内存应该标记为可读。如果是写,该内存应该标记为可写。

  内核提供了两种方法来完成必须的检查和内核空间与用户空间之间数据的来回拷贝。这两个方法必须有一个被调用。

  copy_to_user():向用户空间写入数据,需要3个参数。第一个参数是进程空间中的目的内存地址。第二个是内核空间内的源地址。第三个是需要拷贝的数据长度(字节数)。

  copy_from_user():向用户空间读取数据,需要3个参数。第一个参数是进程空间中的目的内存地址。第二个是内核空间内的源地址。第三个是需要拷贝的数据长度(字节数)。

  注意:这两个都有可能引起阻塞。当包含用户数据的页被换出到硬盘上而不是在物理内存上的时候,这种情况就会发生。此时,进程就会休眠,直到缺页处理程序将该页从硬盘重新换回到物理内存。

  内核在执行系统调用的时候处于进程上下文,current指针指向当前任务,即引发系统调用的那个进程。在进程上下文中,内核可以休眠(比如在系统调用阻塞或显式调用schedule()的时候)并且可以被抢占。当系统调用返回的时候,控制权仍然在system_call()中,它最终会负责切换到用户空间并让用户进程继续执行下去。

  给linux添加一个系统调用时间很简单的事情,怎么设计和实现一个系统调用是难题所在。实现系统调用的第一步是决定它的用途,这个用途是明确且唯一的,不要尝试编写多用途的系统调用。ioctl则是一个反面教材。新系统调用的参数,返回值和错误码该是什么,这些都很关键。一旦一个系统调用编写完成后,把它注册成为一个正式的系统调用是件琐碎的工作,一般下面几步:

  1)在系统调用表(一般位于entry.s)的最后加入一个表项。从0开始算起,系统表项在该表中的位置就是它的系统调用号。如第10个系统调用分配到系统调用号为9。

  2)任何体系结构,系统调用号都必须定义于include/asm/unistd.h中。

  3)系统调用必须被编译进内核映像(不能编译成模块)。这只要把它放进kernel/下的一个相关文件就可以。

  通常,系统调用靠C库支持,用户程序通过包含标准头文件并和C库链接,就可以使用系统调用(或者使用库函数,再由库函数实际调用)。庆幸的是linux本身提供了一组宏用于直接对系统调用进行访问。它会设置好寄存器并调用int $0x80指令。这些宏是_syscalln(),其中n的范围是从0到6.代表需要传递给系统调用的参数个数。这是由于该宏必须了解到底有多少参数按照什么次序压入寄存器。以open系统调用为例:

  open()系统调用定义如下是:

long open(const char *filename, int flags, int mode)

  直接调用此系统调用的宏的形式为:

  #define NR_open 5
  _syscall3(
long, open, const char *, filename, int , flags, int, mode)

  这样,应用程序就可以直接使用open().调用open()系统调用直接把上面的宏放置在应用程序中就可以了。对于每个宏来说,都有2+2*n个参数。每个参数的意义简单明了,这里就不详细说明了。

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