《Linux核心分析》第五周

20135103王海甯

《Linux核心分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

這周的實驗在上周實驗四的基礎上，進一步的操作：

1.将系統調用函數getpid指令加入menuos中

2.通過gdb跟蹤sys_getpid系統調用執行的完整過程

步驟：給MenuOS增加getpid和getpid-asm指令

0）更新menu代碼到最新版

1）在main函數中增加MenuConfig

2）增加對應的getpid函數和getpid-asm函數

3）make rootfs

進入實驗樓環境後，敲入如下指令：

[plain] view plain copy

cd LinuxKernel
cd menu
vi test.c

進入test.c源程式後添加如下代碼：

[cpp] view plain copy

//添加兩個函數，别忘了加頭檔案#include <unistd.h>
int main() {
pid_t tt;
asm volatile (
"movl $0x20, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"movl %%eax, %0\n\t"
:"=m"(tt)
);
printf("%u\n", tt);
return 0;
}
tt = getpid();
}

//然後在main函數中添加
MenuConfig("time","Show System Time",Time);
MenuConfig("time-asm","Show System Time(asm)",TimeAsm);

代碼添加完成後make rootfs重新編譯，此時系統會自動啟動。如下圖：

下面用gdb跟蹤sys_getpid執行的過程：

1.執行以下指令開啟核心的調試功能 qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bz/Image -initrd rootfs.img -s -S，此時系統處于停止狀态

2.再打開一個指令行視窗輸入gdb，在gdb指令提示符下依次輸入file linux-3.18.6/vmlinux, target remote:1234指令連接配接核心并跟蹤調試

3.設定斷點break sys_getpid, 接着continue開始運作，此時menuOS從stopped狀态開始執行。在menu程式的提示符下輸入who，程式執行到斷點時暫停，此時gdb視窗顯示程式斷在sys_getpid處

4.接着使用gdb單步執行指令。next：不進入函數體的單步執行；step：進入函數體的單步執行；finish：進入函數體後退回調用函數

分析

中斷相關的初始化代碼是通過linux-3.18.6/init/main.c檔案中的start_kernel函數裡的trap_init()初始化的。執行int $0x80指令後核心開始執行system_call入口處開始的代碼，位于entry_32.S彙編檔案中。

下面分析system_call彙編代碼：

1.SAVE ALL // 儲存調用前寄存器相關的資訊

2.call *sys_call_table(,%eax,4) // 執行系統調用對應的處理函數，eax存放系統調用号

// 通過linux-3.18.6/arch/x86/syscalls/syscall_32.tbl找到系統調用号對應處理函數

3.movl %eax,PT_EAX(%esp) // 儲存系統調用處理函數傳回值到exa

4. testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx # current->work

jne syscall_exit_work

// 這兩句檢查調用退出前是否有其他工作要處理，如有則跳到syscall_exit_work處繼續處理，以下是syscall_exit_work相關代碼：

syscall_exit_work:

testl $_TIF_WORK_SYSCALL_EXIT, %ecx // 測試是否退出前還有工作要處理，如有則跳到work_pending

jz work_pending

TRACE_IRQS_ON

ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY) # could let syscall_trace_leave() call

# schedule() instead

movl %esp, %eax

call syscall_trace_leave

jmp resume_userspace

END(syscall_exit_work)

5.下面是work_pending的相關代碼，在注釋中解釋相關内容

work_pending:

testb $_TIF_NEED_RESCHED, %cl // 是否有要繼續排程的相關信号

jz work_notifysig #跳轉到處理信号相關的代碼處

work_resched:

call schedule // 時間排程，程序排程的時機在這裡處理

LOCKDEP_SYS_EXIT

DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY) # make sure we don't miss an interrupt

# setting need_resched or sigpending

# between sampling and the iret

TRACE_IRQS_OFF

movl TI_flags(%ebp), %ecx

andl $_TIF_WORK_MASK, %ecx # is there any work to be done other // 是否有其他工作要處理

# than syscall tracing?

jz restore_all // 如果沒有則恢複中斷上下文，即恢複進入之前儲存的寄存器内容

testb $_TIF_NEED_RESCHED, %cl

jnz work_resched

work_notifysig: # deal with pending signals and // 處理相關信号代碼

# notify-resume requests

#ifdef CONFIG_VM86

testl $X86_EFLAGS_VM, PT_EFLAGS(%esp)

jne work_notifysig_v86 # returning to kernel-space or

# vm86-space

#else

#endif

ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_NONE)

movb PT_CS(%esp), %bl

andb $SEGMENT_RPL_MASK, %bl

cmpb $USER_RPL, %bl

jb resume_kernel

xorl %edx, %edx

call do_notify_resume

ALIGN

work_notifysig_v86:

pushl_cfi %ecx # save ti_flags for do_notify_resume

call save_v86_state # %eax contains pt_regs pointer

popl_cfi %ecx

movl %eax, %esp

jmp 1b

END(work_pending)

6. restore_all:

RESTORE_INT_REGS // 中斷傳回之前恢複相關寄存器的内容

7. irq_return:

INTERRUPT_RETURN // 這兩行代碼主要是傳回到使用者态

總結

1.執行int 0x80指令後系統從使用者态進入核心态，跳到system_call()函數處執行相應服務程序。在此過程中核心先儲存中斷環境，然後執行系統調用函數。

2.system_call()函數通過系統調用号查找系統調用表sys_cal_table來查找具體系統調用服務程序。

3.執行完系統調用後，iret之前，核心會檢查是否有新的中斷産生、是否需要程序切換、是否學要處理其它程序發送過來的信号等。

4.核心是處理各種系統調用的中斷集合，通過中斷機制實作程序上下文的切換，通過系統調用管理整個計算機軟硬體資源。

5.如沒有新的中斷，restore儲存的中斷環境并傳回使用者态完成一個系統調用過程。