系統調用(System Call)是操作系統為在用戶態運行的進程與硬件設備(如CPU、磁盤、打印機等)進行交互提供的一組接口。當用戶進程需要發生系統調用時,CPU 通過軟中斷切換到內核態開始執行內核系統調用函數。下面介紹Linux 下三種發生系統調用的方法:
glibc 是 Linux 下使用的開源的標准 C 庫,它是 GNU 發布的 libc 庫,即運行時庫。glibc 為程序員提供豐富的 API(Application Programming Interface),除了例如字符串處理、數學運算等用戶態服務之外,最重要的是封裝了操作系統提供的系統服務,即系統調用的封裝。那麼glibc提供的系統調用API與內核特定的系統調用之間的關系是什麼呢?
sys_open
對應的是 glibc 中的 open
函數;printf
函數就會調用如 sys_open
、sys_mmap
、sys_write
、sys_close
等等系統調用;malloc
、calloc
、free
等函數用來分配和釋放內存,都利用了內核的 sys_brk
的系統調用。舉例來說,我們通過 glibc 提供的chmod
函數來改變文件 etc/passwd
的屬性為 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; }
在普通用戶下編譯運用,輸出結果為:
chmod failed, errno = 1
上面系統調用返回的值為-1,說明系統調用失敗,錯誤碼為1,在 /usr/include/asm-generic/errno-base.h
文件中有如下錯誤代碼說明:
#define EPERM 1 /* Operation not permitted */
即無權限進行該操作,我們以普通用戶權限是無法修改 /etc/passwd 文件的屬性的,結果正確。
使用上面的方法有很多好處,首先你無須知道更多的細節,如 chmod 系統調用號,你只需了解 glibc 提供的 API 的原型;其次,該方法具有更好的移植性,你可以很輕松將該程序移植到其他平台,或者將 glibc 庫換成其它庫,程序只需做少量改動。
但有點不足是,如果 glibc 沒有封裝某個內核提供的系統調用時,我就沒辦法通過上面的方法來調用該系統調用。如我自己通過編譯內核增加了一個系統調用,這時 glibc 不可能有你新增系統調用的封裝 API,此時我們可以利用 glibc 提供的syscall
函數直接調用。該函數定義在 unistd.h
頭文件中,函數原型如下:
long int syscall (long int sysno, ...)
sys/syscall.h
中有所有可能的系統調用號的宏定義。errno
中。還以上面修改 /etc/passwd 文件的屬性為例,這次使用 syscall 直接調用:
#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; }
在普通用戶下編譯執行,輸出的結果與上例相同。
如果我們知道系統調用的整個過程的話,應該就能知道用戶態程序通過軟中斷指令int 0x80
來陷入內核態(在Intel Pentium II 又引入了sysenter
指令),參數的傳遞是通過寄存器,eax 傳遞的是系統調用號,ebx、ecx、edx、esi和edi 來依次傳遞最多五個參數,當系統調用返回時,返回值存放在 eax 中。
仍然以上面的修改文件屬性為例,將調用系統調用那段寫成內聯匯編代碼:
#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(存放在變量 rc 中)在 -1~-132 之間,就必須要解釋為出錯碼(在/usr/include/asm-generic/errno.h
文件中定義的最大出錯碼為 132),這時,將錯誤碼寫入 errno 中,置系統調用返回值為 -1;否則返回的是 eax 中的值。
上面程序在 32位Linux下以普通用戶權限編譯運行結果與前面兩個相同!
參考資料