Linux 系统内核调用 第二节

Linux 内核如何处理系统调用

前一小节 作为本章节的第一部分描述了 Linux 内核system call 概念。 前一节中提到通常系统调用处于内核处于操作系统层面。前一节内容从用户空间的角度介绍，并且 write系统调用实现的一部分内容没有讨论。在这一小节继续关注系统调用，在深入 Linux 内核之前，从一些理论开始。

程序中一个用户程序并不直接使用系统调用。我们并未这样写 Hello World程序代码：

int main(int argc, char **argv)
{
    ...
    ...
    ...
    sys_write(fd1, buf, strlen(buf));
    ...
    ...
}

我们可以使用与 C standard library 帮助类似的方式:

#include <unistd.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    ...
    ...
    ...
    write(fd1, buf, strlen(buf));
    ...
    ...
}

不管怎样， write 不是直接的系统调用也不是内核函数。程序必须将通用目的寄存器按照正确的顺序存入正确的值，之后使用 syscall 指令实现真正的系统调用。在这一节我们关注 Linux 内核中，处理器执行 syscall 指令时的细节。

系统调用表的初始化

从前一节可知系统调用与中断非常相似。深入的说，系统调用是软件中断的处理程序。因此，当处理器执行程序的 syscall 指令时，指令引起异常导致将控制权转移至异常处理。 众所周知，所有的异常处理 (或者内核 C 函数将响应异常) 是放在内核代码中的。但是 Linux 内核如何查找对应系统调用的系统调用处理程序的地址？ Linux 内核由一个特殊的表：system call table 。 系统调用表是Linux内核源码文件 arch/x86/entry/syscall_64.c 中定义的数组sys_call_table的对应。其实现如下:

asmlinkage const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
    [0 ... __NR_syscall_max] = &sys_ni_syscall,
    #include <asm/syscalls_64.h>
};

sys_call_table 数组的大小为 __NR_syscall_max + 1 ， __NR_syscall_max 宏作为给定架构 的系统调用最大数量。 这本书关于 x86_64 架构, 因此 __NR_syscall_max 为 322 ，这也是本书编写时(当前 Linux 内核版本为 4.2.0-rc8+)的数字。编译内核时可通过 Kbuild产生的头文件查看该宏 - include/generated/asm-offsets.h`:

#define __NR_syscall_max 322

对于 x86_64 ， arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 中也有相同的系统调用数量。这里存在两个重要的话题; sys_call_table 数组的类型及数组中元数的初始值。首先，sys_call_ptr_t 为指向系统调用表的指针。 其是通过 [typedef] 定义的函数指针的(https://en.wikipedia.org/wiki/Typedef) ，返回值为空且无参数：

typedef void (*sys_call_ptr_t)(void);

其次为 sys_call_table 数组中元素的初始化。从上面的代码中可知,数组中所有元素包含指向 sys_ni_syscall 的系统调用处理器的指针。 sys_ni_syscall 函数为 “not-implemented” 调用。 首先, sys_call_table 的所有元素指向 “not-implemented” 系统调用。这是正确的初始化方法，因为我们仅仅初始化指向系统调用处理器的指针的存储位置，稍后再做处理。 sys_ni_syscall 的结果比较简单, 仅仅返回 -errno 或者 -ENOSYS :

asmlinkage long sys_ni_syscall(void)
{
    return -ENOSYS;
}

The -ENOSYS error tells us that:

ENOSYS          Function not implemented (POSIX.1)

在 sys_call_table 的初始化中同时也要注意 ... 。可通过 GCC 编译器插件 - Designated Initializers 处理。插件允许使用不固定的顺序初始化元素。 在数组结束处，我们引用 asm/syscalls_64.h 头文件在。头文件由特殊的脚本 arch/x86/entry/syscalls/syscalltbl.sh 从 syscall table 产生。 asm/syscalls_64.h 包括以下宏的定义:

__SYSCALL_COMMON(0, sys_read, sys_read)
__SYSCALL_COMMON(1, sys_write, sys_write)
__SYSCALL_COMMON(2, sys_open, sys_open)
__SYSCALL_COMMON(3, sys_close, sys_close)
__SYSCALL_COMMON(5, sys_newfstat, sys_newfstat)
...
...
...

宏 __SYSCALL_COMMON 在相同的 源码中定义，作为宏 __SYSCALL_64的扩展:

#define __SYSCALL_COMMON(nr, sym, compat) __SYSCALL_64(nr, sym, compat)
#define __SYSCALL_64(nr, sym, compat) [nr] = sym,

因而, 到此为止, sys_call_table 为如下格式:

asmlinkage const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
    [0 ... __NR_syscall_max] = &sys_ni_syscall,
    [0] = sys_read,
    [1] = sys_write,
    [2] = sys_open,
    ...
    ...
    ...
};

之后所有指向“ non-implemented ”系统调用元素的内容为 sys_ni_syscall 函数的地址，该函数仅返回 -ENOSYS 。 其他元素指向 sys_syscall_name 函数。

至此, 完成系统调用表的填充并且 Linux内核了解系统调用处理器的为值。但是 Linux 内核在处理用户空间程序的系统调用时并未立即调用 sys_syscall_name 函数。 记住关于中断及中断处理的 章节。当 Linux 内核获得处理中断的控制权, 在调用中断处理程序前，必须做一些准备如保存用户空间寄存器，切换至新的堆栈及其他很多工作。系统调用处理也是相同的情形。第一件事是处理系统调用的准备，但是在 Linux 内核开始这些准备之前, 系统调用的入口必须完成初始化，同时只有 Linux 内核知道如何执行这些准备。在下一章节我们将关注 Linux 内核中关于系统调用入口的初始化过程。

系统调用入口初始化

当系统中发生系统调用, 开始处理调用的代码的第一个字节在什么地方? 阅读 Intel 的手册 - 64-ia-32-architectures-software-developer-vol-2b-manual:

SYSCALL 引起操作系统系统调用处理器处于特权级0，通过加载IA32_LSTAR MSR至RIP完成。

这就是说我们需要将系统调用入口放置到 IA32_LSTAR model specific register 。 这一操作在 Linux 内核初始过程时完成。若已阅读关于 Linux 内核中断及中断处理政界的 第四节 , Linux 内核调用在初始化过程中调用 trap_init 函数。该函数在 arch/x86/kernel/setup.c 源代码文件中定义，执行 non-early 异常处理（如除法错误，协处理器 错误等 ）的初始化。除了 non-early 异常处理的初始化外, 函数调用 arch/x86/kernel/cpu/common.c 中 cpu_init 函数，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。查看函数的实现，函数没有参数且首先填充两个特殊模块寄存器：

wrmsrl(MSR_STAR,  ((u64)__USER32_CS)<<48  | ((u64)__KERNEL_CS)<<32);
wrmsrl(MSR_LSTAR, entry_SYSCALL_64);

第一个特殊模块集寄存器- MSR_STAR 的 63:48 为用户代码的代码段。这些数据将加载至 CS 和 SS 段选择符，由提供将系统调用返回至相应特权级的用户代码功能的 sysret 指令使用。 同时从内核代码来看， 当用户空间应用程序执行系统调用时，MSR_STAR 的 47:32 将作为 CS and SS段选择寄存器的基地址。第二行代码中我们将使用系统调用入口entry_SYSCALL_64 填充 MSR_LSTAR 寄存器。 entry_SYSCALL_64 在 arch/x86/entry/entry_64.S 汇编文件中定义，包含系统调用执行前的准备(上面已经提及这些准备)。 目前不关注 entry_SYSCALL_64 ,将在章节的后续讨论。

在设置系统调用的入口之后，需要以下特殊模式寄存器：

  • MSR_CSTAR - target rip for the compability mode callers;
  • MSR_IA32_SYSENTER_CS - target cs for the sysenter instruction;
  • MSR_IA32_SYSENTER_ESP - target esp for the sysenter instruction;
  • MSR_IA32_SYSENTER_EIP - target eip for the sysenter instruction.

这些特殊模式寄存器的值与内核配置选项 CONFIG_IA32_EMULATION 有关。 若开启该内核配置选项，允许64字节内核运行32字节的程序。 首先, 若 CONFIG_IA32_EMULATION 内合配置选项开启, 将使用兼容模式的系统调用入口填充这些特殊模式寄存器：

wrmsrl(MSR_CSTAR, entry_SYSCALL_compat);

对于内核代码段, 将堆栈指针置零，entry_SYSENTER_compat字的地址写入指令指针:

wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_CS, (u64)__KERNEL_CS);
wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_ESP, 0ULL);
wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_EIP, (u64)entry_SYSENTER_compat);

另一方面, 若 CONFIG_IA32_EMULATION 内核配置选项未开启, 将把 ignore_sysret 字写入MSR_CSTAR:

wrmsrl(MSR_CSTAR, ignore_sysret);

其在arch/x86/entry/entry_64.S 汇编文件中定义，仅返回 -ENOSYS 错误代码:

ENTRY(ignore_sysret)
    mov $-ENOSYS, %eax
    sysret
END(ignore_sysret)

现在需要像之前代码一样填充 MSR_IA32_SYSENTER_CS, MSR_IA32_SYSENTER_ESP, MSR_IA32_SYSENTER_EIP 特殊模式寄存器，当CONFIG_IA32_EMULATION 内核配置选项打开时。 在这种情况( CONFIG_IA32_EMULATION 配置选项未设置) 将用零填充 MSR_IA32_SYSENTER_ESP 和 MSR_IA32_SYSENTER_EIP ，同时将 Global Descriptor Table 的无效段加载至 MSR_IA32_SYSENTER_CS 特殊模式寄存器:

wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_CS, (u64)GDT_ENTRY_INVALID_SEG);
wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_ESP, 0ULL);
wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_EIP, 0ULL);

可以从描述 Linux 内核启动过程的章节阅读更多关于 Global Descriptor Table 的内容。

在syscall_init 函数的结束, 通过写入 MSR_SYSCALL_MASK 特殊寄存器的标志位，将 标志寄存器 中的标志位屏蔽:

wrmsrl(MSR_SYSCALL_MASK,
       X86_EFLAGS_TF|X86_EFLAGS_DF|X86_EFLAGS_IF|
       X86_EFLAGS_IOPL|X86_EFLAGS_AC|X86_EFLAGS_NT);

这些标志位将在 syscall 初始化时清除。至此, syscall_init 函数结束 也意味着系统调用已经可用。现在我们关注当用户程序执行 syscall 指令发生什么。

系统调用处理执行前的准备

如之前写到, 系统调用或中断处理在被 Linux 内核调用前需要一些准备。 宏 idtentry 完成异常处理被执行前的所需准备，宏 interrupt 完成中断处理被调用前的所需准备 ，entry_SYSCALL_64 完成系统调用执行前的所需准备。

entry_SYSCALL_64 在 arch/x86/entry/entry_64.S 汇编文件中定义 ，从下面的宏开始:

SWAPGS_UNSAFE_STACK

该宏在 arch/x86/include/asm/irqflags.h 头文件中定义， 扩展 swapgs 指令:

#define SWAPGS_UNSAFE_STACK swapgs

宏将交换 GS 段选择符及 MSR_KERNEL_GS_BASE 特殊模式寄存器中的值。换句话说，将其入内核堆栈 。之后使老的堆栈指针指向 rsp_scratch per-cpu 变量设置堆栈指针指向当前处理器的栈顶：

movq    %rsp, PER_CPU_VAR(rsp_scratch)
movq    PER_CPU_VAR(cpu_current_top_of_stack), %rsp

下一步中将堆栈段及老的堆栈指针如栈：

pushq   $__USER_DS
pushq   PER_CPU_VAR(rsp_scratch)

之后使能中断, 因为入口中断被关闭，保存通用目的 寄存器 (除 bp, bx 及 r12 至 r15), 标志位, “ non-implemented ” 系统调用相关的 -ENOSYS 及代码段寄存器至堆栈:

ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_NONE)

pushq   %r11
pushq   $__USER_CS
pushq   %rcx
pushq   %rax
pushq   %rdi
pushq   %rsi
pushq   %rdx
pushq   %rcx
pushq   $-ENOSYS
pushq   %r8
pushq   %r9
pushq   %r10
pushq   %r11
sub $(6*8), %rsp

当系统调用由用户空间程序引起时, 通用目的寄存器状态如下:

  • rax - contains system call number;
  • rcx - contains return address to the user space;
  • r11 - contains register flags;
  • rdi - contains first argument of a system call handler;
  • rsi - contains second argument of a system call handler;
  • rdx - contains third argument of a system call handler;
  • r10 - contains fourth argument of a system call handler;
  • r8 - contains fifth argument of a system call handler;
  • r9 - contains sixth argument of a system call handler;

其他通用目的寄存器 (如 rbp, rbx 和 r12 至 r15) 在C ABI)保留。将寄存器标志位如栈，之后是 “non-implemented ”系统调用的用户代码段，用户空间返回地址，系统调用编号，三个参数，dump 错误代码和堆栈中的其他信息。

下一步检查当前 thread_info 中的 _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY:

testl   $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY, ASM_THREAD_INFO(TI_flags, %rsp, SIZEOF_PTREGS)
jnz tracesys

宏 _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY在 arch/x86/include/asm/thread_info.h 头文件中定义 ，提供一系列与系统调用跟踪有关的进程信息标志:

#define _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY \
    (_TIF_SYSCALL_TRACE | _TIF_SYSCALL_EMU | _TIF_SYSCALL_AUDIT |   \
    _TIF_SECCOMP | _TIF_SINGLESTEP | _TIF_SYSCALL_TRACEPOINT |     \
    _TIF_NOHZ)

本章节中不讨论追踪/调试相关内容,将在关于 Linux 内核调试及追踪相关独立章节中讨论。 在 tracesys 标签之后, 下一标签为 entry_SYSCALL_64_fastpath.在 entry_SYSCALL_64_fastpath 中检查 头文件 arch/x86/include/asm/unistd.h 中定义的 __SYSCALL_MASK 

# ifdef CONFIG_X86_X32_ABI
#  define __SYSCALL_MASK (~(__X32_SYSCALL_BIT))
# else
#  define __SYSCALL_MASK (~0)
# endif

__X32_SYSCALL_BIT 为：

#define __X32_SYSCALL_BIT   0x40000000

众所周知， __SYSCALL_MASK 与 CONFIG_X86_X32_ABI 内核配置选项相关， 作为 64位内核中32位ABI 的掩码。

So we check the value of the __SYSCALL_MASK and if the CONFIG_X86_X32_ABI is disabled we compare the value of the rax register to the maximum syscall number (__NR_syscall_max), alternatively if the CNOFIG_X86_X32_ABI is enabled we mask the eax register with the __X32_SYSCALL_BIT and do the same comparison:

#if __SYSCALL_MASK == ~0
    cmpq    $__NR_syscall_max, %rax
#else
    andl    $__SYSCALL_MASK, %eax
    cmpl    $__NR_syscall_max, %eax
#endif

至此检查最后一调比较指令的结果， ja 指令在 CF 和 ZF 标志为 0 时执行:

ja  1f

若正确调用系统调用, 从 r10 移动第四个参数至 rcx ，保持 x86_64 C ABI 开启，同时以系统调用的处理程序的地址为参数执行 call 指令:

movq    %r10, %rcx
call    *sys_call_table(, %rax, 8)

注意, 上文提到 sys_call_table 是一个数组。 rax 通用目的寄存器为系统调用的编号，且 sys_call_table 的每个元素为 8 字节。 因此使用 *sys_call_table(, %rax, 8) 符号找到指定系统调用处理在 sys_call_table 中的偏移。

就这样。完成了所需的准备，系统调用处理将被相应的中断处理调用。 例如 Linux 内核代码中 SYSCALL_DEFINE[N]宏定义的 sys_read, sys_write 和其他中断处理。

退出系统调用

在系统调用处理完成人物后, 将退回arch/x86/entry/entry_64.S, 正好在系统调用之后:

call    *sys_call_table(, %rax, 8)

在从系统调用处理返回之后，下一步是将系统调用处理的返回值入栈。系统调用将用户程序的返回结果放置在通用目的寄存器rax 中,因此在系统调用处理完成其工作后，将寄存器的值入栈： 

movq    %rax, RAX(%rsp)

在 RAX 指定的位置。

之后调用在 arch/x86/include/asm/irqflags.h 中定义的宏 LOCKDEP_SYS_EXIT :

LOCKDEP_SYS_EXIT

宏的实现与 CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC 内核配置选项相关，该配置允许在退出系统调用时调试锁。再次强调，在该章节不关注，将在单独的章节讨论相关内容。 在 entry_SYSCALL_64 函数的最后， 恢复除 rxc 和 r11 外所有通用寄存器, 因为 rcx 寄存器为调用系统调用的应用程序的返回地址， r11 寄存器为老的 flags register. 在恢复所有通用寄存器之后， 将在 rcx 中装入返回地址, r11 寄存器装入标志 ， rsp 装入老的堆栈指针:

RESTORE_C_REGS_EXCEPT_RCX_R11

movq    RIP(%rsp), %rcx
movq    EFLAGS(%rsp), %r11
movq    RSP(%rsp), %rsp

USERGS_SYSRET64

最后仅仅调用宏 USERGS_SYSRET64 ，其扩展调用 swapgs 指令交换用户 GS 和内核GS， sysretq 指令执行从系统调用处理退出。

#define USERGS_SYSRET64             \
    swapgs;                         \
    sysretq;

现在我们知道，当用户程序使用系统调用时发生的一切。整个过程的步骤如下：

  • 用户程序中的代码装入通用目的寄存器的值（系统调用编号和系统调用的参数）;
  • 处理器从用户模式切换到内核模式 开始执行系统调用入口 - entry_SYSCALL_64;
  • entry_SYSCALL_64 切换至内核堆栈，在堆栈中存通用目的寄存器, 老的堆栈，代码段, 标志位等;
  • entry_SYSCALL_64 检查 rax 寄存器中的系统调用编号,系统调用编号正确时， 在 sys_call_table 中查找系统调用处理并调用;
  • 若系统调用编号不正确, 跳至系统调用退出;
  • 系统调用处理完成工作后, 恢复通用寄存器, 老的堆栈，标志位 及返回地址 ，通过sysretq 指令退出entry_SYSCALL_64 .

结论

这是 Linux 内核相关概念的第二节。在前一 节 ，从用户应用程序的角度讨论了这些概念的原理。在这一节继续深入系统调用概念的相关内容，讨论了系统调用发生时 Linux 内核执行的内容。

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