如何實現(xiàn)Linux系統(tǒng)調(diào)用

今天小編給大家分享一下如何實現(xiàn)Linux系統(tǒng)調(diào)用的相關(guān)知識點，內(nèi)容詳細(xì)，邏輯清晰，相信大部分人都還太了解這方面的知識，所以分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后有所收獲，下面我們一起來了解一下吧。

系統(tǒng)調(diào)用（system call）是操作系統(tǒng)為在用戶態(tài)運行的進(jìn)程與硬件設(shè)備（如cpu、磁盤、打印機(jī)等）進(jìn)行交互提供的一組接口。當(dāng)用戶進(jìn)程需要發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用時，cpu 通過軟中斷切換到內(nèi)核態(tài)開始執(zhí)行內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。下面介紹linux 下三種發(fā)生系統(tǒng)調(diào)用的方法：

一、通過 glibc 提供的庫函數(shù)
glibc 是 linux 下使用的開源的標(biāo)準(zhǔn) c 庫，它是 gnu 發(fā)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(shù)學(xué)運算等用戶態(tài)服務(wù)之外，最重要的是封裝了操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)服務(wù)，即系統(tǒng)調(diào)用的封裝。那么glibc提供的系統(tǒng)調(diào)用api與內(nèi)核特定的系統(tǒng)調(diào)用之間的關(guān)系是什么呢？

• 通常情況，每個特定的系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)了至少一個 glibc 封裝的庫函數(shù)，如系統(tǒng)提供的打開文件系統(tǒng)調(diào)用 sys_open 對應(yīng)的是 glibc 中的 open 函數(shù)；

• 其次，glibc 一個單獨的 api 可能調(diào)用多個系統(tǒng)調(diào)用，如 glibc 提供的 printf 函數(shù)就會調(diào)用如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close 等等系統(tǒng)調(diào)用；

• 另外，多個 api 也可能只對應(yīng)同一個系統(tǒng)調(diào)用，如glibc 下實現(xiàn)的 malloc、calloc、free 等函數(shù)用來分配和釋放內(nèi)存，都利用了內(nèi)核的 sys_brk 的系統(tǒng)調(diào)用。

舉例來說，我們通過 glibc 提供的chmod 函數(shù)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(jié)果為：

chmod failed, errno = 1
上面系統(tǒng)調(diào)用返回的值為-1，說明系統(tǒng)調(diào)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(quán)限進(jìn)行該操作，我們以普通用戶權(quán)限是無法修改 /etc/passwd 文件的屬性的，結(jié)果正確。

二、使用 syscall 直接調(diào)用
使用上面的方法有很多好處，首先你無須知道更多的細(xì)節(jié)，如 chmod 系統(tǒng)調(diào)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臺，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(nèi)核提供的系統(tǒng)調(diào)用時，我就沒辦法通過上面的方法來調(diào)用該系統(tǒng)調(diào)用。如我自己通過編譯內(nèi)核增加了一個系統(tǒng)調(diào)用，這時 glibc 不可能有你新增系統(tǒng)調(diào)用的封裝 api，此時我們可以利用 glibc 提供的syscall 函數(shù)直接調(diào)用。該函數(shù)定義在 unistd.h 頭文件中，函數(shù)原型如下：

long int syscall (long int sysno, ...)

• sysno 是系統(tǒng)調(diào)用號，每個系統(tǒng)調(diào)用都有唯一的系統(tǒng)調(diào)用號來標(biāo)識。在 sys/syscall.h 中有所有可能的系統(tǒng)調(diào)用號的宏定義。

• ... 為剩余可變長的參數(shù)，為系統(tǒng)調(diào)用所帶的參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)調(diào)用的不同，可帶0~5個不等的參數(shù)，如果超過特定系統(tǒng)調(diào)用能帶的參數(shù)，多余的參數(shù)被忽略。

• 返回值 該函數(shù)返回值為特定系統(tǒng)調(diào)用的返回值，在系統(tǒng)調(diào)用成功之后你可以將該返回值轉(zhuǎn)化為特定的類型，如果系統(tǒng)調(diào)用失敗則返回 -1，錯誤代碼存放在 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(diào)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(zhí)行，輸出的結(jié)果與上例相同。

三、通過 int 指令陷入
如果我們知道系統(tǒng)調(diào)用的整個過程的話，應(yīng)該就能知道用戶態(tài)程序通過軟中斷指令int 0x80 來陷入內(nèi)核態(tài)（在intel pentium ii 又引入了sysenter指令），參數(shù)的傳遞是通過寄存器，eax 傳遞的是系統(tǒng)調(diào)用號，ebx、ecx、edx、esi和edi 來依次傳遞最多五個參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)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(diào)用系統(tǒng)調(diào)用那段寫成內(nèi)聯(lián)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(tǒng)調(diào)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(quán)限編譯運行結(jié)果與前面兩個相同！

以上就是“如何實現(xiàn)Linux系統(tǒng)調(diào)用”這篇文章的所有內(nèi)容，感謝各位的閱讀！相信大家閱讀完這篇文章都有很大的收獲，小編每天都會為大家更新不同的知識，如果還想學(xué)習(xí)更多的知識，請關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道。