20179223《Linux内核原理与分析》第五周学习笔记

2022-08-26 08:41:49

视频内容知识学习

一、用户态、内核态和中断

1.内核态：处于高的执行级别下，代码可以执行特权指令，访问任意的物理地址，这时的CPU就对应内核态

2.用户态：处于低的执行级别下，代码只能在级别允许的特定范围内活动。在日常操作下，执行系统调用的方式是通过库函数，库函数封装系统调用，为用户提供接口以便直接使用。

3.Intel x86 CPU有四种不同的执行级别0-3，Linux只使用了其中的0 3级分别表示内核态和用户态。cs寄存器的最低两位表明了当前代码的特权级，00或者11。

4.内核态cs:eip的值是任意的，即可以访问所有的地址空间。用户态只能访问其中的一部分内存地址(0x00000000-0xbbbbbbbf),0xc0000000以上的地址(逻辑地址而不是物理地址)只能在内核态下访问。

5.中断处理是从用户态进入内核态的主要方式，系统调用是一种特殊的中断。从用户态切换到内核态时，中断/int指令会在堆栈上保存用户态的寄存器上下文，其中包括用户态栈顶地址、当时的状态字、当时的cs:eip的值，还有内核态的栈顶地址、内核态的状态字、中断处理程序的入口。中断发生后的第一件事就是保存现场，保存一系列的寄存器的值；中断处理结束前的最后一件事就是恢复现场，退出中断程序，恢复保存寄存器的数据。特别说明：保护现场：就是进入中断程序，保存需要用到的寄存器的数据；恢复现场：就是退出中断程序，恢复保存寄存器的数据。

二、系统调用

1.系统调用的意义：操作系统为用户态进程与硬件设备进行交互提供了一组接口——系统调用。把用户从底层的硬件编程中解放出来，极大的提高了系统的安全性，使用户程序具有可移植性

2.操作系统提供的API和系统调用的关系。应用编程接口和系统调用是不同的，API只是一个函数定义，系统调用通过软中断向内核发出一个明确的请求

3.Libc库定义的一些API引用了封装例程（wrapper routine，唯一目的就是发布系统调用）。一般每个系统调用对应一个封装例程，库再用这些封装例程定义出给用户的API

4.不是每个API都对应一个特定的系统调用。API可能直接提供用户态的服务，如：一些数学函数，一个单独的API可能调用了几个系统调用，不同的API可能调用了同一个系统调用

5.返回值。大部分封装例程返回一个整数，其值的含义依赖于相应的系统调用， -1在多数情况下表示内核不能满足进程的请求，Libc中定义的errno变量包含特定的出错码

6.系统调用的三层皮：xyz、system_call (中断向量）和sys_xyz（中断服务程序）

7.当用户态进程调用一个系统调用时，CPU切换到内核态并开始执行一个内核函数。在Linux中是通过执行int$0x80来执行系统调用的，这条汇编指令产生向量为128的编程异常，Intel Pentium II 中引入了sysenter指令（快速系统调用），2.6已经支持（本课程不考虑这个）

8.传参：内核实现了很多不同的系统调用，进程必须指明需要哪个系统调用，这需要传递一个名为系统调用号的参数，使用eax寄存器

9.系统调用也需要输入输出参数，例如：实际的值，用户态进程地址空间的变量的地址，甚至是包含指向用户态函数的指针的数据结构的地址

10.system_call是linux中所有系统调用的入口点，每个系统调用至少有一个参数，即由eax传递的系统调用号。一个应用程序调用fork（）封装例程，那么在执行into$0x80之前就把eax寄存器的值置为2（即_NR_fork）。这个寄存器的设置是libc库中的封装例程进行的，因此用户一般不关心系统调用号，进入sys_call之后，立即将eax的值压入内核堆栈

11.寄存器传递参数具有如下限制： 1）每个参数的长度不能超过寄存器的长度，即32位 2）在系统调用号（eax）之外，参数的个数不能超过6个（ebx， ecx，edx，esi，edi，ebp） 3）超过6个怎么办？超过6个的话就把某一个寄存器作为一个指针，指向某一块内存。

三、使用库函数API来获取系统当前时间

声明了一个time_t tt的变量，struct tm *ttm为了输出时变成可读的，因为tt是int型的数值，通过gcc time.c -o time -m32运行./time就可获得当前的运行时间

四、C代码中嵌入汇编代码的写法

把0赋给eax，add%1指下面输出和输入的部分，“=m”（val3）输出为0，“c”（val1）为1，“d”（val2）为2，“c”指ecx寄存器存储val1的值，把ecx的值赋给eax，%2就是指val2，把它放到edx这个寄存器里面，val1+val2放在eax里面，然后把val1+val2存储的值放到%0，%0就是val3，=m就是写到内存变量里面去，这就实现了val1+val2=val3的功能。

实验

C程序库函数实现系统调用

代码如下：

#include <stdio.h>

#include <sys/stat.h>

#include <sys/types.h>

int main () {

     int ret = 0;

     ret = mkdir ("./testdir",0777);

     printf ("ret is: %d.\n",ret);

     return 0;

}

mkdir函数有两个参数，第一个是待创建的目录名称；第二个是模式，这里设置为0777。

编译成功并执行，在当前目录下生成目录testdir，如图所示

C程序嵌入式汇编实现系统调用

代码如下：

#include <stdio.h>

int main () {

  int ret =0;

  char *dir = "./testdir";

  int mode = 0777;

  asm volatile(

       "movl $39, %%eax\n\t"

       "int $0x80\n\t"

       "movl %%eax, %0\n\t"

        : “=m”(ret)

        :"b"(dir),"c"(mode)

);

printf("ret is: %d.\n",ret);

return 0;

}

编译成功并执行，如图所示

使用汇编实现系统调用的核心知识点有两个：一是如何执行系统调用，二是如果系统调用有参数，如何将参数传给系统调用。

对于使用汇编语言执行系统调用的方法比较简单，只需要将系统调用的编号传给eax寄存器之后，执行int $0x80指令就可以了，对应代码如下：

movl $39, %%eax

int $0x80

对于传参，则需要借助除eax之外的通用寄存器（如：ebx,ecx,edx,csi,cdi），在执行汇编之前将参数依次存入ebc,ecx,....这些通用寄存器即可，对应代码如下

:"b"(dir),"c"(mode)

这里的“b”代表%ebx寄存器，“c”代表%ecx寄存器。需要注意的是，参数顺序一定要和ebx,ecx,....通用寄存器的顺序一致，如果不一致的话程序就无法正确识别参数。如：写成下面这样的话

:"c"(dir),"b"(mode)

虽然编译OK，但在执行的时候会报如下错误

$./a.out

ret is:-14

程序总结

通过对系统调用的两种代码实现方法的分析，我们可以知道C语言的API只不过是对OS底层系统调用的一次封装而已，本质上是通过系统中断实现的。

实验问题

如图所示

在定义char *dir="./testdir1"；为什么生成的目录是testdir？如图所示

第7、8章课程学习

1.中断就是由硬件来打断操作系统，中断使得硬件得以发出硬件通知给处理器。

2.中断处理程序与其他内核函数的真正的区别在于，中断处理程序是被内核调用来响应中断的，而它们运行于我们称之为中断上下文的特殊上下文。中断处理程序是上半部——接收到一个中断，它就立即开始执行，能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部。

3.内核提供的接口包括注册和注销中断处理程序、禁止中断、屏蔽中断线以及检查中断系统的状态。

4.用于延迟Linux内核工作的三种机制：软中断、tasklet和工作队列。

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