16.20 Linux系统调用

https://scz.617.cn/unix/201205081639.txt

D: 2012-05-08 16:39

查看当前Linux内核版本:

$ uname -r
2.6.18-4-686

从"www.kernel.org"下载相应内核源码:

http://www.kernel.org/pub/linux/kernel/v2.6/linux-2.6.18.tar.xz

系统调用号在"include/asm-i386/unistd.h"中定义:

#define __NR_gettid 224

通常系统调用foo()对应的内核函数是sys_foo()，参看:

arch/i386/kernel/syscall_table.S

数组sys_call_table[]用于存放这些内核函数指针。

以前系统调用是通过"int 0x80"进行的。eax对应系统调用号，6个形参依次对应:

ebx
ecx
edx
esi
edi
ebp

--------------------------------------------------------------------------
$ gdb /usr/bin/col
(gdb) catch syscall open
Catchpoint 1 (syscall 'open' [5])
(gdb) r
Starting program: /usr/bin/col

Catchpoint 1 (call to syscall 'open'), 0xb7ffab54 in ?? () from /lib/ld-linux.so.2
(gdb) x/i $eip-2
0xb7ffab52:     int    $0x80
(gdb) i r eax ebx ecx edx esi edi ebp
eax            0xffffffda       -38
ebx            0xbfffd600       -1073752576
ecx            0x0      0
edx            0x0      0
esi            0x1      1
edi            0xb7fe3848       -1208076216
ebp            0xbfffd5e8       0xbfffd5e8
(gdb) x/s $ebx
0xbfffd600:      "/usr/local/lib/tls/i686/sse2/cmov/libc.so.6"
(gdb) x/5i $eip
0xb7ffab54:     pop    %ebx
0xb7ffab55:     cmp    $0xfffff001,%eax
0xb7ffab5a:     jae    0xb7ffab5d
0xb7ffab5c:     ret
0xb7ffab5d:     call   0xb7ffb887
(gdb) ni
0xb7ffab54 in ?? () from /lib/ld-linux.so.2
(gdb) i r eax
eax            0xfffffffe       -2
--------------------------------------------------------------------------

gdb的"catch syscall ..."断下来时，eip位于"int 0x80"之后，但实际上系统调用
尚未进行，eax里保存的不是返回值。ni之后，eip未变，系统调用已经返回，eax里
保存返回值。就本例而言，由于"/usr/local/lib/tls/i686/sse2/cmov/libc.so.6"
不存在，故eax不是有效值。"man 2 open"得知这个系统调用的第一形参是pathname，
在gdb中查看第一形参。

高版本的Intel芯片提供sysenter/sysexit指令，AMD芯片提供syscall/sysret指令。
后来的Linux系统调用开始使用这些指令，以提高效率。

系统调用gettimeofday()被频繁使用，如果有一个高效实现会降低系统负载。办法之
一是将当前时间写在一个固定位置，其所在内存页被映射到所有进程空间，每次时钟
中断都会自动更新这个固定位置的数据。进程只需要读这个固定位置的数据即可获取
当前时间，不需要跨越用户态、内核态的边界，不需要真实的系统调用。还有一些数
据，比如当前pid，为获取它也不需要真实的系统调用。这些系统调用称为vsyscall。

从Linux 2.5.53开始，有一个固定页，vsyscall page，由内核负责填充有效内容。
在内核初始化阶段调用sysenter_setup()，它会建立一个不可写的页，参看:

arch/i386/kernel/sysenter.c

C库函数通过跳到"vsyscall page"中某个固定地址进行快速系统调用。该页内容是ELF
格式的，从Linux 2.5.74开始该页被命名为"linux-gate.so.1"。

$ ldd `which col`
        linux-gate.so.1 =>  (0xffffe000)
        libc.so.6 => /lib/i686/cmov/libc.so.6 (0xb7e60000)
        /lib/ld-linux.so.2 (0x80000000)

在没有ASLR机制的年代，vsyscall page被映射到固定地址(0xffffe000-0xffffefff)。
从Linux 2.6.18开始，该页被映射到一个随机地址:

$ setarch `uname -m` -R cat /proc/self/maps | grep vdso
b7fe4000-b7fe5000 r-xp b7fe4000 00:00 0          [vdso]

参看"arch/i386/kernel/vsyscall-sysenter.S"，了解vsyscall page的组成。

C库函数调用__kernel_vsyscall()进行系统调用，其位于vsyscall page中。内核通
过ELF Auxiliary Vectors中的AT_SYSINFO将__kernel_vsyscall()的地址传递给用户
态进程。也可以通过GS:0x10获取__kernel_vsyscall()的地址，关于这点，参看:

《在GDB里如何查看GS:0x10的内容》

在当前进程的栈中寻找AT_SYSINFO很不方便，因此libc.so被加载时，会从栈中复制
AT_SYSINFO的值到tcbhead_t.sysinfo，后者可以用GS:0x10访问。

--------------------------------------------------------------------------
/*
 * gcc-3.3 -Wall -pipe -O3 -s -o vsyscall_demo vsyscall_demo.c
 */
#include <stdio.h>

int tid;

int main ( int argc, char * argv[], char * envp[] )
{
    asm                      \
    ("                       \
    movl    $224,   %eax    ;\
    call    *%gs:0x10       ;\
    movl    %eax,   tid     ;\
    ");
    printf( "tid is %d\n", tid );
    return( 0 );
}  /* end of main */
--------------------------------------------------------------------------
/*
 * gcc-3.3 -Wall -pipe -O3 -s -o vsyscall_demo vsyscall_demo.c
 */
#include <stdio.h>

int main ( int argc, char * argv[], char * envp[] )
{
    int tid;

    asm                      \
    (                        \
    "                        \
    movl    $224,   %%eax   ;\
    call    *%%gs:0x10      ;\
    movl    %%eax,  %0      ;\
    "
    :"=m"(tid)
    );
    printf( "tid is %d\n", tid );
    return( 0 );
}  /* end of main */
--------------------------------------------------------------------------
$ gdb ./vsyscall_demo
(gdb) catch syscall gettid
Catchpoint 1 (syscall 'gettid' [224])
(gdb) r
Starting program: /tmp/vsyscall_demo

Catchpoint 1 (call to syscall 'gettid'), 0xb7fe4410 in ?? ()
(gdb) x/i $eip-2
0xb7fe440e:     jmp    0xb7fe4403
(gdb) i r eax
eax            0xffffffda       -38
(gdb) ni
0xb7fe4410 in ?? ()
(gdb) i r eax
eax            0xfec    4076
--------------------------------------------------------------------------
/*
 * gcc-3.3 -Wall -pipe -O3 -s -o vsyscall_demo vsyscall_demo.c
 */
#include <stdio.h>

int main ( int argc, char * argv[], char * envp[] )
{
    int pid;

    asm                      \
    (                        \
    "                        \
    movl    $20,   %%eax    ;\
    int     $0x80           ;\
    movl    %%eax,  %0      ;\
    "
    :"=m"(pid)
    );
    printf( "pid is %d\n", pid );
    return( 0 );
}  /* end of main */
--------------------------------------------------------------------------
$ gdb ./vsyscall_demo
(gdb) catch syscall getpid
Catchpoint 1 (syscall 'getpid' [20])
(gdb) r
Starting program: /tmp/vsyscall_demo

Catchpoint 1 (call to syscall 'getpid'), 0x0804838d in ?? ()
(gdb) x/i $eip-2
0x804838b:      int    $0x80
(gdb) i r eax
eax            0xffffffda       -38
(gdb) ni
0x0804838d in ?? ()
(gdb) i r eax
eax            0x100c   4108
--------------------------------------------------------------------------

D: 2021-01-13

$ uname -mr
2.6.18-308.24.1.el5 x86_64

$ grep -R "__NR_stat " /usr/include
/usr/include/asm-x86_64/unistd.h:#define __NR_stat                                4

(gdb) disas _xstat
Dump of assembler code for function _xstat:
0x00000037e30c4e30 <_xstat+0>:  cmp    edi,0x1
0x00000037e30c4e33 <_xstat+3>:  mov    rax,rsi
0x00000037e30c4e36 <_xstat+6>:  ja     0x37e30c4e52 <_xstat+34>
0x00000037e30c4e38 <_xstat+8>:  mov    rdi,rax
0x00000037e30c4e3b <_xstat+11>: mov    rsi,rdx
0x00000037e30c4e3e <_xstat+14>: mov    eax,0x4
0x00000037e30c4e43 <_xstat+19>: syscall
0x00000037e30c4e45 <_xstat+21>: cmp    rax,0xfffffffffffff000
0x00000037e30c4e4b <_xstat+27>: mov    edx,eax
0x00000037e30c4e4d <_xstat+29>: ja     0x37e30c4e68 <_xstat+56>
0x00000037e30c4e4f <_xstat+31>: mov    eax,edx
0x00000037e30c4e51 <_xstat+33>: ret
0x00000037e30c4e52 <_xstat+34>: mov    rax,QWORD PTR [rip+0x28c14f]        # 0x37e3350fa8 <free+3356736>
0x00000037e30c4e59 <_xstat+41>: mov    edx,0xffffffff
0x00000037e30c4e5e <_xstat+46>: mov    DWORD PTR fs:[rax],0x16
0x00000037e30c4e65 <_xstat+53>: mov    eax,edx
0x00000037e30c4e67 <_xstat+55>: ret
0x00000037e30c4e68 <_xstat+56>: mov    rax,QWORD PTR [rip+0x28c139]        # 0x37e3350fa8 <free+3356736>
0x00000037e30c4e6f <_xstat+63>: neg    edx
0x00000037e30c4e71 <_xstat+65>: mov    DWORD PTR fs:[rax],edx
0x00000037e30c4e74 <_xstat+68>: mov    edx,0xffffffff
0x00000037e30c4e79 <_xstat+73>: jmp    0x37e30c4e4f <_xstat+31>
End of assembler dump.

系统调用通过syscall进行，rax对应系统调用号，6个形参依次对应:

rdi
rsi
rdx
r10
r8
r9

将来rax保存返回值。在x64/Ubuntu上看syscall(2)，有讲这些。

"catch syscall stat"会有两次命中，一次是before，一次是after。第一次命中时:

(gdb) i r rip rax rdi rsi rdx r10 r8 r9
rip            0x37e30c4e45     0x37e30c4e45 <_xstat+21>
rax            0xffffffffffffffda       -38
rdi            0x7fffffffd730   140737488344880
rsi            0x7fffffffd6a0   140737488344736
rdx            0x7fffffffd6a0   140737488344736
r10            0x0      0
r8             0xa53    2643
r9             0x12     18
(gdb) x/s $rdi
0x7fffffffd730:  "/etc/gentoo-release"
(gdb) x/3i $rip-7
0x37e30c4e3e <_xstat+14>:       mov    eax,0x4
0x37e30c4e43 <_xstat+19>:       syscall
0x37e30c4e45 <_xstat+21>:       cmp    rax,0xfffffffffffff000

rip位于syscall之后，但实际上系统调用尚未进行，rax里保存的不是返回值。ni之
后，rip未变，系统调用已经返回，rax里保存返回值。

(gdb) ni
(gdb) i r rip rax
rip            0x37e30c4e45     0x37e30c4e45 <_xstat+21>
rax            0xfffffffffffffffe       -2

没必要ni，直接c就会有第二次命中，rip不变，rax对应返回值。