Linux 内核如何处理系统调用

前一小节作为本章节的第一部分描述了 Linux 内核system call 概念。前一节中提到通常系统调用处于内核处于操作系统层面。前一节内容从用户空间的角度介绍，并且 write系统调用实现的一部分内容没有讨论。在这一小节继续关注系统调用，在深入 Linux 内核之前，从一些理论开始。

程序中一个用户程序并不直接使用系统调用。我们并未这样写 Hello World程序代码：

int main(int argc, char **argv)
{
	...
	...
	...
	sys_write(fd1, buf, strlen(buf));
	...
	...
}

我们可以使用与 C standard library 帮助类似的方式:

#include <unistd.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	...
	...
	...
	write(fd1, buf, strlen(buf));
	...
	...
}

不管怎样，write 不是直接的系统调用也不是内核函数。程序必须将通用目的寄存器按照正确的顺序存入正确的值，之后使用 syscall 指令实现真正的系统调用。在这一节我们关注 Linux 内核中，处理器执行 syscall 指令时的细节。

系统调用表的初始化

从前一节可知系统调用与中断非常相似。深入的说，系统调用是软件中断的处理程序。因此，当处理器执行程序的 syscall 指令时，指令引起异常导致将控制权转移至异常处理。众所周知，所有的异常处理 (或者内核 C 函数将响应异常) 是放在内核代码中的。但是 Linux 内核如何查找对应系统调用的系统调用处理程序的地址？ Linux 内核由一个特殊的表：system call table。系统调用表是Linux内核源码文件 arch/x86/entry/syscall_64.c 中定义的数组 sys_call_table 的对应。其实现如下:

asmlinkage const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
	[0 ... __NR_syscall_max] = &sys_ni_syscall,
    #include <asm/syscalls_64.h>
};

sys_call_table 数组的大小为 __NR_syscall_max + 1，__NR_syscall_max 宏作为给定架构的系统调用最大数量。这本书关于 x86_64 架构, 因此 __NR_syscall_max 为 547，这也是本书编写时(当前 Linux 内核版本为 5.0.0-rc7) 的数字。编译内核时可通过 Kbuild 产生的头文件查看该宏 - include/generated/asm-offsets.h`:

#define __NR_syscall_max 547

对于 x86_64，arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 中也有相同的系统调用数量。这里存在两个重要的话题; sys_call_table 数组的类型及数组中元数的初始值。首先，sys_call_ptr_t 为指向系统调用表的指针。其是通过 typedef 定义的函数指针的，返回值为空且无参数：

typedef void (*sys_call_ptr_t)(void);

其次为 sys_call_table 数组中元素的初始化。从上面的代码中可知，数组中所有元素包含指向 sys_ni_syscall 的系统调用处理器的指针。 sys_ni_syscall 函数为 “not-implemented” 系统调用。首先，sys_call_table 的所有元素指向 “not-implemented” 系统调用。这是正确的初始化方法，因为我们仅仅初始化指向系统调用处理器的指针的存储位置，稍后再做处理。 sys_ni_syscall 的结果比较简单，仅仅返回 -errno 或者 -ENOSYS :

asmlinkage long sys_ni_syscall(void)
{
	return -ENOSYS;
}

The -ENOSYS error tells us that:

ENOSYS          Function not implemented (POSIX.1)

在 sys_call_table 的初始化中同时也要注意 ...。我们可通过 GCC 编译器插件 - Designated Initializers 使用它。插件允许使用不固定的顺序初始化元素。在数组结束处，我们引用 asm/syscalls_64.h 头文件在。头文件由特殊的脚本 arch/x86/entry/syscalls/syscalltbl.sh 从 syscall table 产生。 asm/syscalls_64.h 包括以下宏的定义:

__SYSCALL_COMMON(0, sys_read, sys_read)
__SYSCALL_COMMON(1, sys_write, sys_write)
__SYSCALL_COMMON(2, sys_open, sys_open)
__SYSCALL_COMMON(3, sys_close, sys_close)
__SYSCALL_COMMON(5, sys_newfstat, sys_newfstat)
...
...
...

宏 __SYSCALL_COMMON 在相同的源码中定义，作为宏 __SYSCALL_64 的扩展:

#define __SYSCALL_COMMON(nr, sym, compat) __SYSCALL_64(nr, sym, compat)
#define __SYSCALL_64(nr, sym, compat) [nr] = sym,

因而，到此为止，sys_call_table 为如下格式:

asmlinkage const sys_call_ptr_t sys_call_table[__NR_syscall_max+1] = {
	[0 ... __NR_syscall_max] = &sys_ni_syscall,
	[0] = sys_read,
	[1] = sys_write,
	[2] = sys_open,
	...
	...
	...
};

之后所有指向 “non-implemented” 系统调用元素的内容为 sys_ni_syscall 函数的地址，该函数仅返回 -ENOSYS。其他元素指向 sys_syscall_name 函数。

至此，我们完成了系统调用表的填充并且 Linux 内核了解每个系统调用处理器的位置。但是 Linux 内核在处理用户空间程序的系统调用时并未立即调用 sys_syscall_name 函数。记住关于中断及中断处理的章节。当 Linux 内核获得处理中断的控制权，在调用中断处理程序前，必须做一些准备如保存用户空间寄存器、切换至新的堆栈及其他很多工作。系统调用处理也是相同的情形。第一件事是处理系统调用的准备，但是在 Linux 内核开始这些准备之前，系统调用的入口必须完成初始化，同时只有 Linux 内核知道如何执行这些准备。在下一章节我们将关注 Linux 内核中关于系统调用入口的初始化过程。

系统调用入口初始化

当系统中发生系统调用，开始处理调用的代码的第一个字节在什么地方? 阅读 Intel 的手册 - 64-ia-32-architectures-software-developer-vol-2b-manual:

SYSCALL 引起操作系统系统调用处理器处于特权级 0，其通过加载 IA32_LSTAR MSR 至 RIP 完成。

这就是说我们需要将系统调用入口放置到 IA32_LSTAR model specific register。这一操作在 Linux 内核初始过程时完成若你已阅读关于 Linux 内核中断及中断处理章节的第四节，Linux 内核调用在初始化过程中调用 trap_init 函数。该函数在 arch/x86/kernel/setup.c 源代码文件中定义，执行 non-early 异常处理（如除法错误，协处理器错误等）的初始化。除了 non-early 异常处理的初始化外，函数调用 arch/x86/kernel/cpu/common.c 中 cpu_init 函数，调用相同源码文件中的 syscall_init 完成 per-cpu 状态初始化。

该函数执行系统调用入口的初始化。查看函数的实现，函数没有参数且首先填充两个特殊模块寄存器：

wrmsrl(MSR_STAR,  ((u64)__USER32_CS)<<48  | ((u64)__KERNEL_CS)<<32);
wrmsrl(MSR_LSTAR, entry_SYSCALL_64);

第一个特殊模块集寄存器- MSR_STAR 的 63:48 为用户代码的代码段。这些数据将加载至 CS 和 SS 段选择符，由提供将系统调用返回至相应特权级的用户代码功能的 sysret 指令使用。同时从内核代码来看，当用户空间应用程序执行系统调用时，MSR_STAR 的 47:32 将作为 CS and SS 段选择寄存器的基地址。第二行代码中我们将使用系统调用入口 entry_SYSCALL_64 填充 MSR_LSTAR 寄存器。 entry_SYSCALL_64 在 arch/x86/entry/entry_64.S 汇编文件中定义，包含系统调用执行前的准备(上面已经提及这些准备)。目前不关注 entry_SYSCALL_64，将在章节的后续讨论。

在设置系统调用的入口之后，需要以下特殊模式寄存器：

MSR_CSTAR - target rip for the compability mode callers;
MSR_IA32_SYSENTER_CS - target cs for the sysenter instruction;
MSR_IA32_SYSENTER_ESP - target esp for the sysenter instruction;
MSR_IA32_SYSENTER_EIP - target eip for the sysenter instruction.

这些特殊模式寄存器的值与内核配置选项 CONFIG_IA32_EMULATION 有关。若开启该内核配置选项，将允许 64 字节内核运行 32 字节的程序。第一个例子中，若 CONFIG_IA32_EMULATION 内合配置选项开启，将使用兼容模式的系统调用入口填充这些特殊模式寄存器：

wrmsrl(MSR_CSTAR, entry_SYSCALL_compat);

对于内核代码段，将堆栈指针置零，entry_SYSENTER_compat 字的地址写入指令指针:

wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_CS, (u64)__KERNEL_CS);
wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_ESP, 0ULL);
wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_EIP, (u64)entry_SYSENTER_compat);

另一方面，若 CONFIG_IA32_EMULATION 内核配置选项未开启，将把 ignore_sysret 字写入 MSR_CSTAR:

wrmsrl(MSR_CSTAR, ignore_sysret);

其在 arch/x86/entry/entry_64.S 汇编文件中定义，仅返回 -ENOSYS 错误代码:

ENTRY(ignore_sysret)
	mov	$-ENOSYS, %eax
	sysret
END(ignore_sysret)

现在需要像之前代码一样，当 CONFIG_IA32_EMULATION 内核配置选项打开时，填充 MSR_IA32_SYSENTER_CS，MSR_IA32_SYSENTER_ESP，MSR_IA32_SYSENTER_EIP 特殊模式寄存器。而在 CONFIG_IA32_EMULATION 配置选项未设置的情况下，将用零填充 MSR_IA32_SYSENTER_ESP 和 MSR_IA32_SYSENTER_EIP，同时将 Global Descriptor Table 的无效段加载至 MSR_IA32_SYSENTER_CS 特殊模式寄存器:

wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_CS, (u64)GDT_ENTRY_INVALID_SEG);
wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_ESP, 0ULL);
wrmsrl_safe(MSR_IA32_SYSENTER_EIP, 0ULL);

可以从描述 Linux 内核启动过程的章节阅读更多关于 Global Descriptor Table 的内容。

在 syscall_init 函数的尾段，通过写入 MSR_SYSCALL_MASK 特殊寄存器的标志位，将标志寄存器中的标志位屏蔽：

wrmsrl(MSR_SYSCALL_MASK,
	   X86_EFLAGS_TF|X86_EFLAGS_DF|X86_EFLAGS_IF|
	   X86_EFLAGS_IOPL|X86_EFLAGS_AC|X86_EFLAGS_NT);

这些标志位将在 syscall 初始化时清除。至此，syscall_init 函数结束也意味着系统调用已经可用。现在我们可以开始关注当用户程序执行 syscall 指令发生什么。

系统调用处理执行前的准备

如之前写到，系统调用或中断处理在被 Linux 内核调用前需要一些准备。宏 idtentry 完成异常处理被执行前的所需准备，宏 interrupt 完成中断处理被调用前的所需准备，entry_SYSCALL_64 完成系统调用执行前的所需准备。

entry_SYSCALL_64 在 arch/x86/entry/entry_64.S 汇编文件中定义，从下面的宏开始:

SWAPGS_UNSAFE_STACK

该宏在 arch/x86/include/asm/irqflags.h 头文件中定义，扩展为 swapgs 指令:

#define SWAPGS_UNSAFE_STACK	swapgs

此宏将交换 GS 段选择符及 MSR_KERNEL_GS_BASE 特殊模式寄存器中的值。换句话说，将其入内核堆栈。之后使老的堆栈指针指向 rsp_scratch per-cpu 变量，并设置堆栈指针指向当前处理器的栈顶：

movq	%rsp, PER_CPU_VAR(rsp_scratch)
movq	PER_CPU_VAR(cpu_current_top_of_stack), %rsp

下一步中将堆栈段及老的堆栈指针入栈：

pushq	$__USER_DS
pushq	PER_CPU_VAR(rsp_scratch)

这之后使能中断，因为入口中断被关闭，保存通用目的寄存器 (除 bp，bx 及 r12 至 r15)、标志位、“non-implemented” 系统调用相关的 -ENOSYS 及代码段寄存器至堆栈:

ENABLE_INTERRUPTS(CLBR_NONE)

pushq	%r11
pushq	$__USER_CS
pushq	%rcx
pushq	%rax
pushq	%rdi
pushq	%rsi
pushq	%rdx
pushq	%rcx
pushq	$-ENOSYS
pushq	%r8
pushq	%r9
pushq	%r10
pushq	%r11
sub	$(6*8), %rsp

当系统调用由用户空间程序引起时，通用目的寄存器状态如下:

rax - 包含系统调用编号
rcx - 包含回到用户空间返回地址contains return address to the user space;
r11 - 包含寄存器标志
rdi - 包含 system call handler 的第一个参数
rsi - 包含 system call handler 的第二个参数
rdx - 包含 system call handler 的第三个参数
r10 - 包含 system call handler 的第四个参数
r8 - 包含 system call handler 的第五个参数
r9 - 包含 system call handler 的第六个参数

其他通用目的寄存器 (如 rbp，rbx 和 r12 至 r15) 在 C ABI 保留)。将寄存器标志位入栈，之后是 “non-implemented” 系统调用的用户代码段，用户空间返回地址，系统调用编号，三个参数，dump 错误代码和堆栈中的其他信息。

下一步检查当前 thread_info 中的 _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY：

testl	$_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY, ASM_THREAD_INFO(TI_flags, %rsp, SIZEOF_PTREGS)
jnz	tracesys

宏 _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY 在 arch/x86/include/asm/thread_info.h 头文件中定义，提供一系列与系统调用跟踪有关的进程信息标志：

#define _TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY \
    (_TIF_SYSCALL_TRACE | _TIF_SYSCALL_EMU | _TIF_SYSCALL_AUDIT |   \
    _TIF_SECCOMP | _TIF_SINGLESTEP | _TIF_SYSCALL_TRACEPOINT |     \
    _TIF_NOHZ)

本章节中不讨论追踪/调试相关内容，这将在关于 Linux 内核调试及追踪相关独立章节中讨论。在 tracesys 标签之后，下一标签为 entry_SYSCALL_64_fastpath。在 entry_SYSCALL_64_fastpath 内检查头文件 arch/x86/include/asm/unistd.h 中定义的 __SYSCALL_MASK

# ifdef CONFIG_X86_X32_ABI
#  define __SYSCALL_MASK (~(__X32_SYSCALL_BIT))
# else
#  define __SYSCALL_MASK (~0)
# endif

其中 __X32_SYSCALL_BIT 为：

#define __X32_SYSCALL_BIT	0x40000000

众所周知，__SYSCALL_MASK 与 CONFIG_X86_X32_ABI 内核配置选项相关，且其为 64 位内核中 32 位 ABI 的掩码。

因此我们可以检查 __SYSCALL_MASK，若 CONFIG_X86_X32_ABI 未启用，我们会将 rax 寄存器的值与系统调用最大数量(__NR_syscall_max) 进行比较，而若 CNOFIG_X86_X32_ABI 有启用，我们会对 eax 寄存器与 X32_SYSCALL_BIT 进行掩码操作并接着做同样的比较：

#if __SYSCALL_MASK == ~0
	cmpq	$__NR_syscall_max, %rax
#else
	andl	$__SYSCALL_MASK, %eax
	cmpl	$__NR_syscall_max, %eax
#endif

至此检查最后一道比较指令的结果，ja 指令在 CF 和 ZF 标志为 0 时执行:

ja	1f

若其正确调用系统调用，第四个参数将从 r10 移动至 rcx，保持 x86_64 C ABI 开启，同时以系统调用的处理程序的地址为参数执行 call 指令：

movq	%r10, %rcx
call	*sys_call_table(, %rax, 8)

注意，上文提到 sys_call_table 是一个数组。 rax 通用目的寄存器为系统调用的编号，且 sys_call_table 的每个元素为 8 字节。因此使用 *sys_call_table(, %rax, 8) 符号找到指定系统调用处理在 sys_call_table 中的偏移。

就这样。完成了所需的准备，系统调用处理将被相应的中断处理调用。例如 Linux 内核代码中 SYSCALL_DEFINE[N] 宏定义的 sys_read，sys_write 和其他中断处理。

退出系统调用

在系统调用处理完成任务后，将退回 arch/x86/entry/entry_64.S，正好在系统调用之后:

call	*sys_call_table(, %rax, 8)

在从系统调用处理返回之后，下一步是将系统调用处理的返回值入栈。系统调用将用户程序的返回结果放置在通用目的寄存器 rax 中，因此在系统调用处理完成其工作后，将寄存器的值入栈上 RAX 指定的位置：

movq	%rax, RAX(%rsp)

之后调用在 arch/x86/include/asm/irqflags.h 中定义的宏 LOCKDEP_SYS_EXIT :

LOCKDEP_SYS_EXIT

宏的实现与 CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC 内核配置选项相关，该配置允许在退出系统调用时调试锁。再次强调，在该章节不关注，将在单独的章节讨论相关内容。在 entry_SYSCALL_64 函数的最后，恢复除 rxc 和 r11 外所有通用寄存器，因为 rcx 寄存器为调用系统调用的应用程序的返回地址，r11 寄存器为老的 flags register。在恢复所有通用寄存器之后，将在 rcx 中装入返回地址，r11 寄存器装入标志，rsp 装入老的堆栈指针:

RESTORE_C_REGS_EXCEPT_RCX_R11

movq	RIP(%rsp), %rcx
movq	EFLAGS(%rsp), %r11
movq	RSP(%rsp), %rsp

USERGS_SYSRET64

最后仅仅调用宏 USERGS_SYSRET64，其扩展调用 swapgs 指令交换用户 GS 和内核 GS，sysretq 指令执行从系统调用处理退出。

#define USERGS_SYSRET64				\
	swapgs;	           				\
	sysretq;

现在我们知道，当用户程序使用系统调用时发生的一切。整个过程的步骤如下：

用户程序中的代码装入通用目的寄存器的值（系统调用编号和系统调用的参数）;
处理器从用户模式切换到内核模式开始执行系统调用入口 - entry_SYSCALL_64;
entry_SYSCALL_64 切换至内核堆栈，在堆栈中存通用目的寄存器，老的堆栈，代码段，标志位等;
entry_SYSCALL_64 检查 rax 寄存器中的系统调用编号，系统调用编号正确时，在 sys_call_table 中查找系统调用处理并调用;
若系统调用编号不正确，跳至系统调用退出;
系统调用处理完成工作后，恢复通用寄存器，老的堆栈，标志位及返回地址，通过 sysretq 指令退出entry_SYSCALL_64。

结论

这是 Linux 内核相关概念的第二节。在前一节我们从用户应用程序的角度讨论了这些概念的原理。在这一节继续深入系统调用概念的相关内容，讨论了系统调用发生时 Linux 内核执行的内容。

若存在疑问及建议，在 twitter @0xAX，通过 email 或者创建 issue。

由于英语是我的第一语言由此造成的不便深感抱歉。若发现错误请提交 PR 至 linux-insides。

Links

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最后更新于6个月前