Linux Kernel中的系统调用分析

一、系统调用在Linux Kernel中的map表(系统调用的数组)

在sys.c中定义了__SYSCALL宏

(kernel-4.19/arch/arm64/kernel/sys.c)

#define __SYSCALL(nr, sym)  asmlinkage long __arm64_##sym(const struct pt_regs *);

例如：

• __SYSCALL(__NR_flock, sys_flock)，其实就是定义__arm64_sys_flock函数
• __SC_COMP(__NR_ioctl,sys_ioctl,compat_sys_ioctl),其实就是定义__arm64_compat_sys_ioctl函数

在sys.c中定义并初始化了系统调用的tab表

(kernel-4.19/arch/arm64/kernel/sys.c)

#undef __SYSCALL
#define __SYSCALL(nr, sym)  [nr] = __arm64_##sym,

 const syscall_fn_t sys_call_table[__NR_syscalls] = {
   [0 ... __NR_syscalls - 1] = __arm64_sys_ni_syscall,
 #include <asm/unistd.h>
 };

剖析这段代码，将asm/unistd.h引进来了，其实等价于下面这句

(kernel-4.19/arch/arm64/kernel/sys.c)

 const syscall_fn_t sys_call_table[__NR_syscalls] = {
   [0 ... __NR_syscalls - 1] = __arm64_sys_ni_syscall,__arm64_compat_sys_io_setup,__arm64_sys_io_destroy,__arm64_compat_sys_io_submit......
 };

二、系统调用的函数在Kernel中的实现

SYSCALL_DEFINE1(arm64_personality, unsigned int, personality)
{
  if (personality(personality) == PER_LINUX32 &&
    !system_supports_32bit_el0())
    return -EINVAL;
  return ksys_personality(personality);
}

 #define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)
 #define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)
 #define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)
 #define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)
 #define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)
 #define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)

 #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)        \
   SYSCALL_METADATA(sname, x, __VA_ARGS__)      \
   __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)

在kernel中使用SYSCALL_DEFINEx定义的地方，都是在定义系统调用函数，例如：这里定义的SYSCALL_DEFINE1(setgid, gid_t, gid)，其实就是定义__arm64_sys_setgid。

SYSCALL_DEFINE1(setgid, gid_t, gid)
 {
   return __sys_setgid(gid);
 }

三、系统调用的流程

由于Userspace中C语言使用的libc库代码，我们在kernel中是看不到，所以就不做具体分析了。但可以知道的是，该系统调用的库中，最终是要调用到svc指令的，使cpu陷入svc异常，进而跳转到Linux Kernel中的el0_svc向量表中。

如下展示了系统调用进入Linux Kernel后的具体流程：

el0_svc，el0_svc_handler()，el0_svc_common()，invoke_syscall()， syscall_fn()。syscall_fn指向系统调用tab表中的具体函数

(kernel-4.19/arch/arm64/kernel/entry.S)
 el0_svc:
   mov  x0, sp
   bl  el0_svc_handler
   b  ret_to_user
 ENDPROC(el0_svc)

(kernel-4.19/arch/arm64/kernel/syscall.c)
asmlinkage void el0_svc_handler(struct pt_regs *regs)
{
  sve_user_discard();
  el0_svc_common(regs, regs->regs[8], __NR_syscalls, sys_call_table);
}

static void el0_svc_common(struct pt_regs *regs, int scno, int sc_nr,
         const syscall_fn_t syscall_table[])
{
  unsigned long flags = current_thread_info()->flags;

  regs->orig_x0 = regs->regs[0];
  regs->syscallno = scno;

  cortex_a76_erratum_1463225_svc_handler();
  local_daif_restore(DAIF_PROCCTX);
  user_exit();

  if (has_syscall_work(flags)) {
    /* set default errno for user-issued syscall(-1) */
    if (scno == NO_SYSCALL)
      regs->regs[0] = -ENOSYS;
    scno = syscall_trace_enter(regs);
    if (scno == NO_SYSCALL)
      goto trace_exit;
  }

  invoke_syscall(regs, scno, sc_nr, syscall_table);

  /*
   * The tracing status may have changed under our feet, so we have to
   * check again. However, if we were tracing entry, then we always trace
   * exit regardless, as the old entry assembly did.
   */
  if (!has_syscall_work(flags) && !IS_ENABLED(CONFIG_DEBUG_RSEQ)) {
    local_daif_mask();
    flags = current_thread_info()->flags;
    if (!has_syscall_work(flags)) {
      /*
       * We're off to userspace, where interrupts are
       * always enabled after we restore the flags from
       * the SPSR.
       */
      trace_hardirqs_on();
      return;
    }
    local_daif_restore(DAIF_PROCCTX);
  }

trace_exit:
  syscall_trace_exit(regs);
}

static void invoke_syscall(struct pt_regs *regs, unsigned int scno,
         unsigned int sc_nr,
         const syscall_fn_t syscall_table[])
{
  long ret;

  if (scno < sc_nr) {
    syscall_fn_t syscall_fn;
    syscall_fn = syscall_table[array_index_nospec(scno, sc_nr)];
    ret = __invoke_syscall(regs, syscall_fn);    //syscall_fn 就是tab表中的函数
  } else {
    ret = do_ni_syscall(regs, scno);
  }

  regs->regs[0] = ret;
}

static long __invoke_syscall(struct pt_regs *regs, syscall_fn_t syscall_fn)
{
  return syscall_fn(regs);  //调用tab表中的函数
}

四、总结

系统调用在Kernel中的map表，都在kernel-4.19/include/uapi/asm-generic/unistd.h 中，表的名字是：sys_call_table，表中成员的示例如下：

#define __NR_io_setup 0
__SC_COMP(__NR_io_setup, sys_io_setup, compat_sys_io_setup)
#define __NR_io_destroy 1
__SYSCALL(__NR_io_destroy, sys_io_destroy)
#define __NR_io_submit 2
__SC_COMP(__NR_io_submit, sys_io_submit, compat_sys_io_submit)
#define __NR_io_cancel 3
__SYSCALL(__NR_io_cancel, sys_io_cancel)
#define __NR_io_getevents 4
__SC_COMP(__NR_io_getevents, sys_io_getevents, compat_sys_io_getevents)

/* fs/xattr.c */
#define __NR_setxattr 5
__SYSCALL(__NR_setxattr, sys_setxattr)
#define __NR_lsetxattr 6
__SYSCALL(__NR_lsetxattr, sys_lsetxattr)
#define __NR_fsetxattr 7
__SYSCALL(__NR_fsetxattr, sys_fsetxattr)
#define __NR_getxattr 8
__SYSCALL(__NR_getxattr, sys_getxattr)
#define __NR_lgetxattr 9
__SYSCALL(__NR_lgetxattr, sys_lgetxattr)

系统调用函数的定义，都是以SYSCALL_DEFINEx的宏定义的，例如:

SYSCALL_DEFINE1(setgid, gid_t, gid)
{
  return __sys_setgid(gid);
}

SYSCALL_DEFINE1(sysctl, struct __sysctl_args __user *, args)
{
  struct __sysctl_args tmp;
  size_t oldlen = 0;
  ssize_t result;

  if (copy_from_user(&tmp, args, sizeof(tmp)))
    return -EFAULT;

  if (tmp.oldval && !tmp.oldlenp)
    return -EFAULT;

  if (tmp.oldlenp && get_user(oldlen, tmp.oldlenp))
    return -EFAULT;

  result = do_sysctl(tmp.name, tmp.nlen, tmp.oldval, oldlen,
         tmp.newval, tmp.newlen);

  if (result >= 0) {
    oldlen = result;
    result = 0;
  }

  if (tmp.oldlenp && put_user(oldlen, tmp.oldlenp))
    return -EFAULT;

  return result;
}