本周作业的主要内容就是采用gcc嵌入汇编的方式调用system call。
系统调用其实就是操作系统提供的服务。我们平时编写的程序,如果仅仅是数值计算,那么所有的过程都是在用户态完成的,但是我们想将变量打印在屏幕上,就必须调用printf,而printf这个函数内部就使用了write这个系统调用。
操作系统之所以以system call的方式提供服务,是因为如果程序员能够任意操作OS所有的资源,那么将无比危险,所以OS设计出了内核态和用户态。 我们平时编程都是在用户态下,如果我们想要调用系统资源,那么就必须采用系统调用,陷入内核态,才能达到目的。
下面我们采用几个例子,按照由浅入深的方式一一说明。
getpid 简单示例
getpid的函数很简单,就是获取当前进程的进程号。 使用C调用如下:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
tt = getpid();
printf("%u\n", tt);
return 0;
}
使用内嵌汇编调用如下:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
asm volatile(
"mov $0x14, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m" (tt)
);
printf("%u\n", tt);
return 0;
}
内嵌汇编在语法上要求先声明输出参数,然后声明输出参数值。上述代码中getpid不需要参数,只需要一个输出值。 对于内嵌汇编调用system call:
.系统调用号放在eax中。
.系统调用的参数,按照顺序分别放在ebx、ecx、edx、esi、edi和ebp中
.返回值使用eax传递
上面的代码之所以使用中断,是因为中断(包括异常)是进入到内核态的唯一方式。 所以我们使用int 0x80触发中断,然后中断处理程序保存现场,我们的进程陷入内核态。
其实,使用系统调用还有一种方式:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
tt = syscall(SYS_getpid);
printf("%u\n", tt);
return 0;
}
这种方式其实内部也是采用的内嵌汇编。
linux中有个函数叫做gettid,这个函数用来取出当前线程的pid(Linux中的线程是使用进程模拟实现的,所以每个线程都有一个全局唯一的pid),可以查到它的声明,但是使用时,编译报错,提示函数找不到,因为libc中没有提供这个函数。此时我们就可以借助这种方式,使用syscall(SYS_gettid)即可。
fork 使用
fork函数同样不需要参数,只有输出,这里给出两个版本:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
tt = fork();
if (tt == 0)
{
printf("子进程\n");
}
else
{
printf("父进程\n");
}
printf("%u\n", tt);
return 0;
}
fork这个函数有个特点,就是调用一次返回两次,原因在于它复制出了一个子进程,执行同样地代码段。
区分子进程和父进程的手段就是检查返回值。
下面是使用汇编的版本
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
pid_t _fork()
{
pid_t tt;
asm volatile(
"mov $0x2, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m" (tt)
);
return tt;
}
int main(int argc, const char *argv[])
{
pid_t tt;
tt = _fork();
if (tt == 0)
{
printf("child\n");
}
else
{
printf("parent\n");
}
printf("%u\n", tt);
return 0;
}
read
上面的getpid和fork都不需要参数,下面我们看下read函数如何使用汇编调用。 read的函数声明如下:
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
read函数需要三个参数。 下面我们看下它的过程,这里为了减少篇幅,不再贴出完整的main函数。
ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t count)
{
int ret;
asm volatile(
"mov %3, %%edx\n\t" // count->edx
"mov %2, %%ecx\n\t" // buf->ecx
"mov %1, %%ebx\n\t" // fd->ebx
"mov $0x3, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m"(ret)
:"b"(fd), "c"(buf), "d"(count)
);
return ret;
}
上面提过,参数保存在ebx、ecx等寄存器中,这里的三个参数就是放在这三个寄存器中。最后一行的
:"b"(fd), "c"(buf), "d"(count)
就是声明,fd使用的是ebx,buf使用ecx传递,count使用edx传递。
使用timerfd的定时器
下面是一个较复杂的示例,它使用了timerfd系列的定时器,timefd是Linux2.6之后加入的新的系统调用。它将定时器的触发采用fd可读这个事件来表现。所以对于timerfd,我们可以使用epoll,将它和socket的fd一同监视。
C源码如下:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/timerfd.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do { \
perror(m);\
exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int main(int argc, const char *argv[])
{
//创建定时器的fd
int timerfd = timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
if(timerfd == -1)
ERR_EXIT("timerfd_create");
//开启定时器,并设置时间
struct itimerspec howlong;
memset(&howlong, 0, sizeof howlong);
howlong.it_value.tv_sec = 4; //初始时间
howlong.it_interval.tv_sec = 1; //间隔时间
if(timerfd_settime(timerfd, 0, &howlong, NULL) == -1)
ERR_EXIT("timerfd_settime");
int ret;
char buf[1024];
while((ret = read(timerfd, buf, sizeof buf)) > 0)
{
printf("foobar ....\n");
}
close(timerfd);
return 0;
}
这段代码主要是注册了一个定时器的fd,然后设置初始化时间和事件触发间隔,然后每隔几秒钟,该定时器fd变为可读。
这段代码的运行效果是:先运行4s,然后每隔1s打印出一行"foobar ..."
下面是使用汇编的版本:
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/timerfd.h>
#define ERR_EXIT(m) \
do { \
perror(m);\
exit(EXIT_FAILURE);\
}while(0)
int _timerfd_create(int clockid, int flags);
int _timerfd_settime(int fd, int flags,
const struct itimerspec *new_value,
struct itimerspec *old_value);
ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t count);
int _close(int fd);
int main(int argc, const char *argv[])
{
//创建定时器的fd
int timerfd = _timerfd_create(CLOCK_REALTIME, 0);
if(timerfd == -1)
ERR_EXIT("timerfd_create");
//开启定时器,并设置时间
struct itimerspec howlong;
memset(&howlong, 0, sizeof howlong);
howlong.it_value.tv_sec = 2; //初始时间
howlong.it_interval.tv_sec = 1; //间隔时间
if(_timerfd_settime(timerfd, 0, &howlong, NULL) == -1)
ERR_EXIT("timerfd_settime");
int ret;
char buf[1024];
while((ret = _read(timerfd, buf, sizeof buf)) > 0)
{
printf("foobar ....\n");
}
close(timerfd);
return 0;
}
ssize_t _read(int fd, void *buf, size_t count)
{
int ret;
asm volatile(
"mov %3, %%edx\n\t" // len->edx
"mov %2, %%ecx\n\t" // str->ecx
"mov %1, %%ebx\n\t" // fd->ebx
"mov $0x3, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m"(ret)
:"b"(fd), "c"(buf), "d"(count)
);
return ret;
}
ssize_t _write(int fd, const void *buf, size_t count)
{
int ret;
asm volatile(
"mov %3, %%edx\n\t" // len->edx
"mov %2, %%ecx\n\t" // str->ecx
"mov %1, %%ebx\n\t" // fd->ebx
"mov $0x4, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m"(ret)
:"b"(fd), "c"(buf), "d"(count)
);
return ret;
}
int _close(int fd)
{
int ret;
asm volatile(
"mov %1, %%ebx\n\t" // fd->ebx
"mov $0x6, %%eax\n\t"
"int $0x80\n\t"
"mov %%eax, %0\n\t"
:"=m"(ret)
:"b"(fd)
);
return ret;
}
int _timerfd_create(int clockid, int flags)
{
int ret;
asm volatile(
"mov %2, %%ecx\n\t" // flags
"mov %1, %%ebx\n\t" // clockid
"mov $322, %%eax\n\t""int $0x80\n\t""mov %%eax, %0\n\t":"=m"(ret):"b"(clockid),"c"(flags));return ret;}int _timerfd_settime(int fd,int flags,conststruct itimerspec *new_value,struct itimerspec *old_value){int ret;asmvolatile("mov %4, %%esi\n\t"// old value"mov %3, %%edx\n\t"// len->edx"mov %2, %%ecx\n\t"// str->ecx"mov %1, %%ebx\n\t"// fd->ebx"mov $325, %%eax\n\t""int $0x80\n\t""mov %%eax, %0\n\t":"=m"(ret):"b"(fd),"c"(flags),"d"(new_value),"S"(old_value));return ret;}
这里注意下
timerfd_settime这个系统调用共四个参数,最后一个参数采用的esi,采用“S”说明。
查看某个系统调用号,例如timerfd系列,可以使用如下的命令:
➜ ~ cat /usr/include/i386-linux-gnu/asm/unistd_32.h | grep timerfd
#define __NR_timerfd_create 322
#define __NR_timerfd_settime 325
#define __NR_timerfd_gettime 326
实验截图
系统调用原理
通过本周的作业,更加熟悉了系统调用的本质,以及系统调用和中断的关联。系统调用是用户态和内核态的桥梁,而具体的措施就是中断。 上面我们采用内嵌汇编编写的代码,在运行时,通过eax准备系统调用号,使用ebx、ecx等传递具体参数,当我们触发0x80中断时,经过中断处理程序,我们就进入了内核态。
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