系统调用(System Call)是操作系统为在用户态运行的进程与硬件设备(如CPU、磁盘、打印机等)进行交互提供的一组接口。当用户进程需要发生系统调用时,CPU 通过软中断切换到内核态开始执行内核系统调用函数。下面介绍Linux 下三种发生系统调用的方法:
通过 glibc 提供的库函数
glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库,它是 GNU 发布的 libc 库,即运行时库。glibc 为程序员提供丰富的 API(Application Programming Interface),除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外,最重要的是封装了操作系统提供的系统服务,即系统调用的封装。那么glibc提供的系统调用API与内核特定的系统调用之间的关系是什么呢?
- 通常情况,每个特定的系统调用对应了至少一个 glibc 封装的库函数,如系统提供的打开文件系统调用
sys_open
对应的是
glibc 中的open
函数; - 其次,glibc 一个单独的 API 可能调用多个系统调用,如 glibc 提供的
printf
函数就会调用如sys_open
、sys_mmap
、sys_write
、sys_close
等等系统调用; - 另外,多个 API 也可能只对应同一个系统调用,如glibc 下实现的
malloc
、calloc
、free
等函数用来分配和释放内存,都利用了内核的sys_brk
的系统调用。
举例来说,我们通过 glibc 提供的chmod
函数来改变文件 etc/passwd
的属性为
444:
#include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <errno.h> #include <stdio.h> int main() { int rc; rc = chmod("/etc/passwd", 0444); if (rc == -1) fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno); else printf("chmod success!\n"); return 0; }
在普通用户下编译运用,输出结果为:
chmod failed, errno = 1
上面系统调用返回的值为-1,说明系统调用失败,错误码为1,在 /usr/include/asm-generic/errno-base.h
文件中有如下错误代码说明:
#define EPERM 1 /* Operation not permitted */
即无权限进行该操作,我们以普通用户权限是无法修改 /etc/passwd 文件的属性的,结果正确。
使用 syscall 直接调用
使用上面的方法有很多好处,首先你无须知道更多的细节,如 chmod 系统调用号,你只需了解 glibc 提供的 API 的原型;其次,该方法具有更好的移植性,你可以很轻松将该程序移植到其他平台,或者将 glibc 库换成其它库,程序只需做少量改动。
但有点不足是,如果 glibc 没有封装某个内核提供的系统调用时,我就没办法通过上面的方法来调用该系统调用。如我自己通过编译内核增加了一个系统调用,这时 glibc 不可能有你新增系统调用的封装 API,此时我们可以利用 glibc 提供的syscall
函数直接调用。该函数定义在 unistd.h
头文件中,函数原型如下:
long int syscall (long int sysno, ...)
- sysno 是系统调用号,每个系统调用都有唯一的系统调用号来标识。在
sys/syscall.h
中有所有可能的系统调用号的宏定义。 - ... 为剩余可变长的参数,为系统调用所带的参数,根据系统调用的不同,可带0~5个不等的参数,如果超过特定系统调用能带的参数,多余的参数被忽略。
- 返回值 该函数返回值为特定系统调用的返回值,在系统调用成功之后你可以将该返回值转化为特定的类型,如果系统调用失败则返回 -1,错误代码存放在
errno
中。
还以上面修改 /etc/passwd 文件的属性为例,这次使用 syscall 直接调用:
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/syscall.h> #include <errno.h> int main() { int rc; rc = syscall(SYS_chmod, "/etc/passwd", 0444); if (rc == -1) fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno); else printf("chmod succeess!\n"); return 0; }
在普通用户下编译执行,输出的结果与上例相同。
通过 int 指令陷入
如果我们知道系统调用的整个过程的话,应该就能知道用户态程序通过软中断指令int 0x80
来陷入内核态(在Intel
Pentium II 又引入了sysenter
指令),参数的传递是通过寄存器,eax
传递的是系统调用号,ebx、ecx、edx、esi和edi 来依次传递最多五个参数,当系统调用返回时,返回值存放在 eax 中。
仍然以上面的修改文件属性为例,将调用系统调用那段写成内联汇编代码:
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/syscall.h> #include <errno.h> int main() { long rc; char *file_name = "/etc/passwd"; unsigned short mode = 0444; asm( "int $0x80" : "=a" (rc) : "0" (SYS_chmod), "b" ((long)file_name), "c" ((long)mode) ); if ((unsigned long)rc >= (unsigned long)-132) { errno = -rc; rc = -1; } if (rc == -1) fprintf(stderr, "chmode failed, errno = %d\n", errno); else printf("success!\n"); return 0; }
如果 eax 寄存器存放的返回值(存放在变量 rc 中)在 -1~-132 之间,就必须要解释为出错码(在/usr/include/asm-generic/errno.h
文件中定义的最大出错码为
132),这时,将错误码写入 errno 中,置系统调用返回值为 -1;否则返回的是 eax 中的值。
上面程序在 32位Linux下以普通用户权限编译运行结果与前面两个相同!
参考资料
- Understanding The Linux Kernel, the 3rd edtion
- The GNU C Library Reference Manual, for version 2.18