Linux 下系统调用的三种方法

系统调用(System Call)是操作系统为在用户态运行的进程与硬件设备(如CPU、磁盘、打印机等)进行交互提供的一组接口。当用户进程需要发生系统调用时,CPU 通过软中断切换到内核态开始执行内核系统调用函数。下面介绍Linux 下三种发生系统调用的方法:

通过 glibc 提供的库函数

glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库,它是 GNU 发布的 libc 库,即运行时库。glibc 为程序员提供丰富的 API(Application Programming Interface),除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外,最重要的是封装了操作系统提供的系统服务,即系统调用的封装。那么glibc提供的系统调用API与内核特定的系统调用之间的关系是什么呢?

  • 通常情况,每个特定的系统调用对应了至少一个 glibc 封装的库函数,如系统提供的打开文件系统调用 sys_open 对应的是 glibc 中的 open 函数;
  • 其次,glibc 一个单独的 API 可能调用多个系统调用,如 glibc 提供的 printf 函数就会调用如 sys_opensys_mmapsys_writesys_close 等等系统调用;
  • 另外,多个 API 也可能只对应同一个系统调用,如glibc 下实现的 malloccallocfree 等函数用来分配和释放内存,都利用了内核的 sys_brk 的系统调用。

举例来说,我们通过 glibc 提供的chmod 函数来改变文件 etc/passwd 的属性为 444:

在普通用户下编译运用,输出结果为:

上面系统调用返回的值为-1,说明系统调用失败,错误码为1,在 /usr/include/asm-generic/errno-base.h 文件中有如下错误代码说明:

即无权限进行该操作,我们以普通用户权限是无法修改 /etc/passwd 文件的属性的,结果正确。

使用 syscall 直接调用

使用上面的方法有很多好处,首先你无须知道更多的细节,如 chmod 系统调用号,你只需了解 glibc 提供的 API 的原型;其次,该方法具有更好的移植性,你可以很轻松将该程序移植到其他平台,或者将 glibc 库换成其它库,程序只需做少量改动。
但有点不足是,如果 glibc 没有封装某个内核提供的系统调用时,我就没办法通过上面的方法来调用该系统调用。如我自己通过编译内核增加了一个系统调用,这时 glibc 不可能有你新增系统调用的封装 API,此时我们可以利用 glibc 提供的syscall 函数直接调用。该函数定义在 unistd.h 头文件中,函数原型如下:

  • sysno 是系统调用号,每个系统调用都有唯一的系统调用号来标识。在 sys/syscall.h 中有所有可能的系统调用号的宏定义。
  •  为剩余可变长的参数,为系统调用所带的参数,根据系统调用的不同,可带0~5个不等的参数,如果超过特定系统调用能带的参数,多余的参数被忽略。
  • 返回值 该函数返回值为特定系统调用的返回值,在系统调用成功之后你可以将该返回值转化为特定的类型,如果系统调用失败则返回 -1,错误代码存放在 errno 中。

还以上面修改 /etc/passwd 文件的属性为例,这次使用 syscall 直接调用:

在普通用户下编译执行,输出的结果与上例相同。

通过 int 指令陷入

如果我们知道系统调用的整个过程的话,应该就能知道用户态程序通过软中断指令int 0x80 来陷入内核态(在Intel Pentium II 又引入了sysenter指令),参数的传递是通过寄存器,eax 传递的是系统调用号,ebx、ecx、edx、esi和edi 来依次传递最多五个参数,当系统调用返回时,返回值存放在 eax 中。

仍然以上面的修改文件属性为例,将调用系统调用那段写成内联汇编代码:

如果 eax 寄存器存放的返回值(存放在变量 rc 中)在 -1~-132 之间,就必须要解释为出错码(在/usr/include/asm-generic/errno.h 文件中定义的最大出错码为 132),这时,将错误码写入 errno 中,置系统调用返回值为 -1;否则返回的是 eax 中的值。

上面程序在 32位Linux下以普通用户权限编译运行结果与前面两个相同!


参考资料

  • Understanding The Linux Kernel, the 3rd edtion
  • The GNU C Library Reference Manual, for version 2.18
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