LINUX系统调用及exit实例分析

LINUX系统调用及exit实例分析

计算机系962班黄山松9615158

序言: <计算机操作系统>课程即将结束, 经过这一学期的学习,我对操作系统, 尤其是Linux系统有了初步认识,虽然限于英语水平, 对外籍参考书较少涉及, 但也深有收获. 特别是分析系统调用的源码, 揭开了系统核心的神密的面纱.

Linux系统的结构

在清华大学出版的<操作系统基础> (屠立德．屠祁编著)曾经见过这样一幅Unix 结构图，我觉得对Linux 同样适用，经少量改动，示意如下：

例图Linux 系统的结构

Linux 系统由内核和用户层组成. 内核是Linux 系统的心脏. 由汇编文件和C 语言文件构成. 汇编文件主要用于系统初启. 中断处理等与硬件细节密切相关的部分, 此处本文不作详解. 内核按以下功能分块:

1.存贮管理

2.进程管理

3.进程通信

4.中断.陷阱与系统调用( 此处陷阱仅狭义为异常)

5.输入输出管理

6.文件系统

由例图及上面的分类, 我们至少知道了为什么要有系统调用. 用最简单的话来说, 系统调用就是硬件与软件的接口. 或者说内核与外壳的接口.

实际上, Linux 的系统核心的所有程序都是作为进程的一部分而运行的,被包括在每一个进程的虚拟地址空间里, so 每一个进程都包含着两个部分: 系统程序部分和用户程序部分. 一进程在用户态运行时, 执行的是用户程序;若中断而转入核心态, 执行系统核心程序.

下面就让我们进入

一.系统调用的流程

●大致流程如下:

start_kernel ( ) 函数( i386/main.c )

trap_init ( ) 函数( kernel/trap.c )

宏set_grap_gate ( ) 函数( asm/system.h )

●start_kernel ( ) 提供了各种trap 入口. 通过调用trap_init ( ) 函数设置,

而trap_init ( ) 又通过调用set_ system_gate( 0x80,&system_call ) 实现具

体操作.

●在Linux 系统调用中, 首先由0x80 号中断进入系统调用入口,通过系统调

用表保存系统调用服务函数的入口地址来实现,那好就从中断开始吧. 1.1关于中断

在386体系结构中，承认两类事件。

1.异常（exceptions）

2.中断（interrupts）

他们都会引起“上下文转换”，(context switch) 同时建立一个过程(procedure)或任务（task）

中断可以随时随地发生（包括在执行程序时）所以用来响应硬件信号。

而异常则由指令内部错误引起。

在80386中，又把中断分为两种：

●可屏蔽中断（Miscible Interrupt）如IO 中断等

●不可屏蔽中断（NonMaskable Interrupt）如机器内部故障. 掉电中断等

异常也分为两种:

●处理器异常如overflow 等

●编程（调试）异常如trap 指令或INT 中断指令等

0x80 号中断的设置

●在Linux中，系统调用的执行是通过中断或异常的方式来进行的，他将

执行相应的机器代码指令，来产生中断或异常信号，产生中断或异常的重要效果是系统自动将用户模式切换为核心模式，并安排异常处理程序的执行。

●Linux设置了一个可屏蔽中断int 0x80，0x80就是系统调用的一个矢量地

址。这个中断矢量表是在系统启动时就初始化好的，以及一些矢量地址，

如系统时钟。通过矢量0x80把控制传给kernel

在宏set_system_gate ( ) (“include/asm-i386/system.h )

#define set_system_gate(n,addr) \

_set_gate(&idt[n],15,3,addr)

同一文件中

#define _set_gate(gate_addr,type,dpl,addr) \

__asm__ __volatile__ (“movw %%dx,%%ax\n\t” \

“movw %2,%%dx\n\t” \

“movl %%eax,%0\n\t” \

“movl %%edx,%1” \

:”=m” (*((long *) (gate_addr))), \

“=m” (*(1+(long *) (gate_addr))) \

:”i” ((short) (0x8000+(dpl<<13)+(type<<8))), \

“d” ((char *) (addr)),”a” (KERNEL_CS << 16) \

:”ax”,”dx”

调用该宏，将使addr地址值置入gate_addr中的地址值所指向的内存单元中，而_set_gate(&idt[n],15,3,addr) 使中断向量描述表中的第128项

（即16进制第80项）保存了0x80号中断的中断服务程序，即system_call。

1.2系统调用的入口

在头文件“include/asm-i386/unistd.h”中，定义了163个系统调用有关的宏，包括系统调用序号，如：

#define __NR_setup ０

#define __NR_exit 1

#define __NR_fork ２

* * * * *

同时定义了一系列形似_syscallX(type,name, type1,arg1,type2,arg2……)的宏．（type , type1等用做系统调用的参数类型有一个限制，它们的容量不能超过4个字节, 因为在执行int 0x80 时，所有参数都是通过寄存器传递的，在386体系结构中，寄存器是32位的，所以，他们的容量不能超过4个字节（32位）; 使用CPU寄存器做参数传递还有一个限制, 即可以传递的参数的数目最大不超过五个参数，Linux 一共定义了六个不同的宏syscallX ( ): syscall0 ( ) 到syscall5 ( ). ）

下面以X=3即叁个参数为例，解释该宏：

#define _syscall3(type,name,type1,arg1,type2,arg2,type3,arg3) \

type name(type1 arg1,type2 arg2,type3 arg3) \

{ \

long __res; \

__asm__ volatile ("int $0x80" ："=a" (__res) : "0"\

(__NR_##name),"b" （（long)(arg1)),"c" ((long)(arg2)), \

"d" ((long)(arg3))); \

if (__res>=0)

return (type) __res; errno=-__res; \

return -1; \

}

该宏的第一个参数是一类类型参数，它指明系统调用返回值的类型，第二个参数指明系统调用的名称。若还有别的参数, 则第2i个参数是系统调用函数的第i个参数的类型，第2i+1个参数是系统调用函数的第i个参数, 该宏的主体部分是一内联汇编，它通过汇编代码段__asm__volotile调用中断"int $0x80"将参数传递给ENTRY(system_call)，其中，定义res取得返回值，并将__NR_用##将其与name连接起来作为参数，这个参数定义在unistd.h的宏中，其它参数arg1,arg2,arg3则被存放在相应的寄存器ebx, ecx, edx中. 在“_syscallX”宏中，约定五个参数分别与五个寄存器对应：

arg1值存入寄存器ebx；

arg2值存入寄存器ecx；

arg3值存入寄存器edx；

arg4值存入寄存器esi；

arg5值存入寄存器edi；

另外, 若系统调用中出错，则将__res的相反数作为出错号赋给全局变量“errno”，并返回-1，否则返回__res 。

注意: 上面提到了汇编指令int 0x80 中断调用能跳转到ENTRY(system_call),这就不得不提到系统的中断矢量表, 在中断矢量表中，事先将int 0x80中断的指针指向了系统调用system_call, 正如下面提到的

1.3系统调用矢量表

在“/arch/i386/entry.S”中定义了系统调用表( sys_call_table )，保存了所有Linux基于Intel x86系列体系结构的计算机的系统调用入口地址, 核心入口指针ENTRY(system_call)对所有的系统调用都是相同的。它的作用是保存所有的寄存器值:

ENTRY(system_call)

pushl %eax # save orig_eax

SA VE_ALL

GET_CURRENT(%ebx)

cmpl $(NR_syscalls),%eax

jae badsys

testb $0x20,flags(%ebx) # PF_TRACESYS

jne tracesys

call *SYMBOL_NAME(sys_call_table)(,%eax,4)

movl %eax,EAX(%esp) # save the return value

ALIGN

.globl ret_from_sys_call

.globl ret_from_intr

首先用SA VE_ALL这个宏将所有的寄存器值都保存,并且检查确认该系统调用合法性, 然后用cmpl$( NR_syscalls ), %eax 来判断, 如果$(NR_syscalls )>=%eax （eax中存放的是当前的系统调用号）,则超过了系统调用的最大限制, 违法. 跳至badsys:

movl $-ENOSYS,EAX(%esp)

jmp ret_from_sys_call

这段代码先将eat 中的出错码的相反数赋给ENOSYS , 再调用ret_from_sys_call 返回.

如果调用合法, ENTRY将控制权交至*SYMBOL_NAME (sys_call_table) (,%eax,4 ) ,eax 中的内容* 4 就是系统调用的实际地址偏移量. 通过它可找到相应的系统调用代码的:

.data

ENTRY(sys_call_table)

.long SYMBOL_NAME(sys_setup) /* 0 */

.long SYMBOL_NAME(sys_exit)

.long SYMBOL_NAME(sys_fork)

* * * * * *

.space (NR_syscalls-166)*4

在include/linux/sys.h 文件中定义了宏NR_systemcall，其值为256，表示x86微机上最多可容纳的系统调用个数。

我们已经介绍过了中断0x80 和系统调用表, 可以说已经了解了系统调用的一般流程, 下面就结合一个实例具体分析一下吧

二.系统调用实例exit 的分析

exit 系统调用简介:

正与fork 系统调用创建一个子进程相反, exit 的目的是为了撤销一个进程, 像上面系统调用表中提到的那样, 通过调用sys_exit( ) 函数终止一个进程的运行.处理期间, 要保存当前帐号的各种信息，逐步退出占用的资源, 还要处理好与之有关的其他进程.

2.1 exit 的简单流程

首先, 为了以下讨论方便, 我先将主要源码exit.c 中的一些代码附在下面, 并分别加上字母序号划分开来( NORET_TYPE 表示此为非停机类型)：

NORET_TYPE void do_exit(long code)

{

(a) if (intr_count) {

printk("Aiee, killing interrupt handler\n");

intr_count = 0;

}

(b) fake_volatile:

a cct_process(code);

c urrent->flags |= PF_EXITING;

d el_timer(¤t->real_timer);

s em_exit();

k erneld_exit();

(c) __exit_mm(current);

__exit_files(current);

__exit_fs(current);

__exit_sighand(current);

e xit_thread();

(d) current->state = TASK_ZOMBIE;

c urrent->exit_code = code;

e xit_notify();

#ifdef DEBUG_PROC_TREE

a udit_ptree();

#endif

(e) if (current->exec_domain && current->exec_domain->use_count)

(*current->exec_domain->use_count)--;

i f (current->binfmt && current->binfmt->use_count)

(*current->binfmt->use_count)--;

(f) schedule();

g oto fake_volatile;

}

(g ) asmlinkage int sys_exit(int error_code)

{

d o_exit((error_code&0xff)<<8);

}

以上文件存放在/linux/kernel/ 目录下.

先看(g ) : Sys_exit的主体函数非常简单，只是调用了函数do_exit ( ), 其中(error_code&0xff)<< 8的作用就是取error_code的低８位移到高８位中( 低８位用０填补) 作为参数传给函数do_exit ( )。

下面来看看函数do_exit是怎样做的。

(a) 标注处: do_exit( ) 函数首先判断是否还有正在处理的中断服务( 若全局变量intr_count为1，表明当前还有中断正在处理). 如果有的话, 设置intr_count=0;停止处理其他中断。

(b) 标注处:

函数acct_process（）定义在/linux/kernel/sys.c中, 限于篇幅, 此处并未列出, 其中定义了一个acct 结构类型变量 ac .acct 结构定义如下(在/linux/include/acct.h

文件中）:

struct acct{charac_comm[ACCT_COMM]; /* 当前正在执行的命令*/ {charac_comm[ACCT_COMM]; /* 当前正在执行的命令*/

charac_comm[ACCT_COMM]; /* 当前正在执行的命令*/

time_t ac_utime; /* 当前的用户时间*/

time_t ac_stime; /* 当前的系统时间*/

time_t ac_etime; /* 本次登录到当前的时间差*/

time_t ac_btime; /* 本次开始时间 */

uid_t ac_uid; /* 对应用户的ID号*/

gid_t ac_gid; /* 对应用户所属组的ID号 */

dev_t ac_tty; /* 所在的终端号tty*/

char ac_flag; /* 标记，包括该用户的权限描述等 */

long ac_minflt; /* 次缺页情况 */

long ac_majflt; /* 主缺页情况*/

long ac_exitcode; /* 当前进程的退出代码*/

};

通过以上结构变量 ac , 保存当前账号的各种状态;

语句current->flags |= PF_EXITING 设置一标记,表明进程处于撤销状态;

语句del_timer( ¤t->real_timer) 目的是删除当前的实定时器：

语句Sem_exit（）定义在/linux/ipc/sem.c文件中, 目的是删除信号队列（destroye semaphore arrays），释放信号撤消结构（free semaphores undo structures）在该函数中，增加调整值（semval）给信号，再释放撤消结构（free undo structures）。由于某些信号（semaphore）可能已经过时或无效了，直到信号数组(semaphore array)被删除了以后，撤消结构（undo structures）才被释放。具体做法如下：

a．如果当前进程正在睡眠状况（需要一信号(semaphore)来唤

醒），将进程当前指向所需信号（semaphore）的指针置空。

b．在当前的信号撤消链表(struct sem_undo)里查找a中提到的

那信号（semaphore），找到以后，调整该信号（已在信号撤消

链表中注册过的）的内容。

c．由于有可能有一个队列的进程在等该信号，故须更新整个操

作系统的数组。

语句kerneld_exit ( )清空当前任务的kerneld队列: 我们需要内”冲洗”一下所有的等待进程，以便于当那些进程结束时，do_exit函数可以减少一些独立的消息的可能性。因此，我们必须保证那些消息队列是空的，无论所有的kerneld是否已经死亡。

(c ) 标记处:

语句_exit_mm(current) 使进程退出内存管理系统,主要作以下工作:

1. 将cache，tlb，page的内容全部回写。

2. 退出内存影射。

3. 释放页表（page table）。

(d) 标注处:

语句current->state = TASK_ZOMBIE将当前进程的状态（state）设为TASK_ZOMBIE ( 即僵死状态) ;

语句current->exit_code=code设置退出码为传进来的参数code;

函数exit_notify（）发送信号给进程所在的进程组( ”SIGHUP”

和”SIGCONT”信号) , 并且通知父进程，本进程已经被撤销了;然后进入一循环做以下两件事：

a．使初始进程（init）继承所有子进程。

b．检查是否还有进程组不是孤立的。如果是, 按照上面方法处

理;

最后，调用函数disassciate_ctty ( int) ( 定义在linux\drivers\char\tty_io.c

文件中)。只有当参数是1时，才是被exit_notify（）调用的。在该函数中，将当前tty进程组杀掉，所有进程对应的tty成员赋NULL;

(e ) 标注处:

语句current->exec_domain指向进程所属的全局执行域结构,将所属用户数目减一;

( f) 继续调度：

schedule(); 正常情况下, 此函数将不再返回, 如果异常情况发生, 导致跳出, 使用goto fake_volatile 语句继续处理.

至此. Exit 的流程结束 . 下面是

2.2关于exit 的若干说明

首先 sys_exit 系统调用的宏定义可在文件/asm-i386/unistd.h下面找到很( 其他系统调用也包括在此文件中), sys_exit的具体定义如下：

static inline _syscall1(int,_exit,int,exitcode)

很明显exit 只使用一个参数, 将其展开后，形成代码如下：

int _exit(int exitcode)

{ long __res;

__asm__ volatile ("int $0x80"

: "=a" (__res)

: "0" (__NR_exit), "b" ((long)(exitcode)));

if (__res >= 0 )

return (int) __res;

errno = -__res;

return -1;

}

可以看出来，sys_exit带了参数exitcode，该参数便是系统退出（sys_exit）的退出码。正如前面第一章曾提到的那样, _exit通过调用int 0x80并传入系统调用号（_NR_exit，即在sys_call_table中的偏移量）和退出码(exitcode)的方法，来达到调用sys_exit的目的。

然后,当调用完sys_exit后，先判断返回值_res是否为非负数。若是，则说明该次调用是成功的，返回_res即可。若_res为负数，则说明该次调用过程中存在着一个或一些错误，将错误值赋给全局变量errno：

errno = -_res；(errno 即错误号)

同时返回-1，指明存在错误，由专门处理错误函数根据errno的值判断究竟系统调用出了什么错，是哪种类型的错，以便进行错误处理。

exit 系统调用整体说来流程并不复杂，甚至可以说是比较简单. 它用到不少低层函数，如__exit_mm(current);

__exit_files(current);

__exit_fs(current);

__exit_sighand(current);

等，这就大大减轻了自身函数的工作量，并使流程清晰. 顺便提一句，我认为以上几个函数源码很清晰明了，这里就不再细述了.

三实验小结

限于水平, 尽管努力的分析源代码, 还是有许多不明白的地方, 尤其是系统调用流程所用到的底层函数的细节. 对其设计的技巧和策略也尚未完全领会. 如exit 系统调用时使用到的goto fake_volatile 语句的必要性及具体作用方式还有疑虑. 而且, 由于自己英语水平不高, 对外籍资料和源码中的说明可能也有偏差, 希望得到大家的指正.谢谢!

本报告资料主要来源：《操作系统基础》（屠立德屠祈编著）以及浙大bbs 缥缈水云间有关版面。