級別： 中級
M. Tim Jones ([email protected]), 顧問工程師, Emulex
2007 年 4 月 17 日
Linux® 系統調用 —— 我們每天都在使用它們。不過您清楚系統調用是如何在用戶空間和內核之間執行的嗎？本文將探究 Linux 系統調用接口（SCI），學習如何添加新的系統調用（以及實現這種功能的其他方法），並介紹與 SCI 有關的一些工具。
系統調用就是用戶空間應用程序和內核提供的服務之間的一個接口。由於服務是在內核中提供的，因此無法執行直接調用；相反，您必須使用一個進程來跨越用戶空間與內核之間的界限。在特定架構中實現此功能的方法會有所不同。因此，本文將著眼於最通用的架構 —— i386。
在本文中，我將探究 Linux SCI，演示如何向 2.6.20 內核添加一個系統調用，然後從用戶空間來使用這個函數。我們還將研究在進行系統調用開發時非常有用的一些函數，以及系統調用的其他選擇。最後，我們將介紹與系統調用有關的一些輔助機制，比如在某個進程中跟蹤系統調用的使用情況。
SCI
Linux 中系統調用的實現會根據不同的架構而有所變化，而且即使在某種給定的體架構上也會不同。例如，早期的 x86 處理器使用了中斷機制從用戶空間遷移到內核空間中，不過新的 IA-32 處理器則提供了一些指令對這種轉換進行優化（使用 sysenter 和 sysexit 指令）。由於存在大量的方法，最終結果也非常復雜，因此本文將著重於接口細節的表層討論上。
要對 Linux 的 SCI 進行改進，您不需要完全理解 SCI 的內部原理，因此我將使用一個簡單的系統調用進程（請參看圖 1）。每個系統調用都是通過一個單一的入口點多路傳入內核。eax 寄存器用來標識應當調用的某個系統調用，這在 C 庫中做了指定（來自用戶空間應用程序的每個調用）。當加載了系統的 C 庫調用索引和參數時，就會調用一個軟件中斷（0x80 中斷），它將執行 system_call 函數（通過中斷處理程序），這個函數會按照 eax 內容中的標識處理所有的系統調用。在經過幾個簡單測試之後，使用 system_call_table 和 eax 中包含的索引來執行真正的系統調用了。從系統調用中返回後，最終執行 syscall_exit，並調用 resume_userspace 返回用戶空間。然後繼續在 C 庫中執行，它將返回到用戶應用程序中。
SCI 的核心是系統調用多路分解表。這個表如圖 2 所示，使用 eax 中提供的索引來確定要調用該表中的哪個系統調用（sys_call_table）。圖中還給出了表內容的一些樣例，以及這些內容的位置。（有關多路分解的更多內容，請參看側欄 “系統調用多路分解”）
圖 2. 系統調用表和各種鏈接
添加一個 Linux 系統調用
系統調用多路分解
有些系統調用會由內核進一步進行多路分解。例如，BSD（Berkeley Software Distribution）socket 調用（socket、bind、 connect 等）都與一個單獨的系統調用索引（__NR_socketcall）關聯在一起，不過在內核中會進行多路分解，通過另外一個參數進入適當的調用。請參看 ./linux/net/socket.c 中的 sys_socketcall 函數。
添加一個新系統調用主要是一些程序性的操作，但應該注意幾件事情。本節將介紹幾個系統調用的構造，從而展示它們的實現和用戶空間應用程序對它們的使用。
向內核中添加新系統調用，需要執行 3 個基本步驟：
注意： 這個過程忽略了用戶空間的需求，我將稍後介紹。
最常見的情況是，您會為自己的函數創建一個新文件。不過，為了簡單起見，我將自己的新函數添加到現有的源文件中。清單 1 所示的前兩個函數，是系統調用的簡單示例。清單 2 提供了一個使用指針參數的稍微復雜的函數。
清單 1. 系統調用示例的簡單內核函數
asmlinkage long sys_getjiffies( void )
{
return (long)get_jiffies_64();
}
asmlinkage long sys_diffjiffies( long ujiffies )
{
return (long)get_jiffies_64() - ujiffies;
}