Linux 上对系统调用的封装
Linux在内核中提供了诸多系统调用，Linux kernel是如何封装一个系统调用？具体我们如何使用，常见的命令又是如何使用系统调用的呢？
Kernel使用一个SYSCALL_DEFINEx来封装源代码中的调用。
应用程序有四种调用的方式：
glibc库函数
syscall函数
linux系统调用宏
软中断陷入
flowchart TB
系统调用接口 ---> 系统调用
subgraph 用户态
应用程序 ---> |glibc库函数|glibc库函数
应用程序 ---> |syscall函数|glibc库函数 ---> 系统调用接口
应用程序 ---> linux系统调用宏 ---> 系统调用接口
应用程序 ---> 软中断陷入 ---> 系统调用接口
end
subgraph 内核态
系统调用
endKernel的封装
通过SYSCALL_DEFINEx宏定义去封装一个系统调用，对应的架构在makefile中，使用tbl(table)来将一个方法制作成调用：xxx -> SYS_xxx。
#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...) \
__diag_push(); \
__diag_ignore(GCC, 8, "-Wattribute-alias", \
"Type aliasing is used to sanitize syscall arguments");\
asmlinkage long sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__)) \
__attribute__((alias(__stringify(__se_sys##name)))); \
ALLOW_ERROR_INJECTION(sys##name, ERRNO); \
static inline long __do_sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__));\
asmlinkage long __se_sys##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__)); \
asmlinkage long __se_sys##name(__MAP(x,__SC_LONG,__VA_ARGS__)) \
{ \
long ret = __do_sys##name(__MAP(x,__SC_CAST,__VA_ARGS__));\
__MAP(x,__SC_TEST,__VA_ARGS__); \
__PROTECT(x, ret,__MAP(x,__SC_ARGS,__VA_ARGS__)); \
return ret; \
} \
__diag_pop(); \
static inline long __do_sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__))
#endif /* __SYSCALL_DEFINEx */在x86_64架构的syscall_64.tbl中定义了：
#
# 64-bit system call numbers and entry vectors
#
# The format is:
# <number> <abi> <name> <entry point>
#
# The __x64_sys_*() stubs are created on-the-fly for sys_*() system calls
#
# The abi is "common", "64" or "x32" for this file.
165 common mount sys_mount这样就将前面使用SYSCALL_DEFINE5封装的mount，对外暴露为sys_mount。
glibc库函数
linux的系统调用由glibc提供封装，一个常用的方法可能包含多个不同的系统调用(printf: sys_open, sys_mmap, sys_write, sys_close ...)；简单的调用是直接封装的(open: sys_open)；多个glibc的方法可能对应一个系统调用(malloc, calloc, free: sys_brk)。
通过查看glibc源码(glibc-2.35)，这部分是通过make-syscalls.sh脚本生成的，这个脚本将通用的Unix系统与Linux系统调用和对应架构上的系统调用使用汇编进行封装，所有的系统调用列表存放在sysdeps/unix各级目录下面的syscalls.list里面。
例如sysdeps/unix/syscalls.list：
# File name Caller Syscall name Args Strong name Weak names
accept - accept Ci:iBN __libc_accept accept
access - access i:si __access access
acct - acct i:S acct
adjtime - adjtime i:pp __adjtime adjtime
bind - bind i:ipi __bind bind
chdir - chdir i:s __chdir chdir
chmod - chmod i:si __chmod chmod
chown - chown i:sii __chown chown
chroot - chroot i:s chroot
close - close Ci:i __libc_close __close close
connect - connect Ci:ipi __libc_connect __connect connect
dup - dup i:i __dup dup
dup2 - dup2 i:ii __dup2 dup2
dup3 - dup3 i:iii __dup3 dup3
fchdir - fchdir i:i __fchdir fchdir
fchmod - fchmod i:ii __fchmod fchmod
fchown - fchown i:iii __fchown fchown
fcntl - fcntl Ci:iiF __libc_fcntl __fcntl fcntl
fstatfs - fstatfs i:ip __fstatfs fstatfs
ftruncate - ftruncate i:ii __ftruncate ftruncate
getdomain - getdomainname i:si getdomainname
getgid - getgid Ei: __getgid getgid
getgroups - getgroups i:ip __getgroups getgroups
gethostid - gethostid i: gethostid
gethostname - gethostname i:bn __gethostname gethostname
getpeername - getpeername i:ibN __getpeername getpeername
getpid - getpid Ei: __getpid getpid
getpriority - getpriority i:ii __getpriority getpriority
getrlimit - getrlimit i:ip __getrlimit getrlimit
getsockname - getsockname i:ibN __getsockname getsockname
getsockopt - getsockopt i:iiiBN getsockopt
getuid - getuid Ei: __getuid getuid
ioctl - ioctl i:iiI __ioctl ioctl __ioctl_time64
kill - kill i:ii __kill kill
link - link i:ss __link link
listen - listen i:ii __listen listen
lseek - lseek i:iii __libc_lseek __lseek lseek
madvise - madvise i:pUi __madvise madvise
mkdir - mkdir i:si __mkdir mkdir
mmap - mmap b:aUiiii __mmap mmap
mprotect - mprotect i:aUi __mprotect mprotect
munmap - munmap i:aU __munmap munmap
open - open Ci:siv __libc_open __open open
profil - profil i:piii __profil profil
ptrace - ptrace i:iiii ptrace
read - read Ci:ibU __libc_read __read read
readlink - readlink i:spU __readlink readlink
readv - readv Ci:ipi __readv readv
reboot - reboot i:i reboot
recv - recv Ci:ibUi __libc_recv recv
recvfrom - recvfrom Ci:ibUiBN __libc_recvfrom __recvfrom recvfrom
recvmsg - recvmsg Ci:ipi __libc_recvmsg __recvmsg recvmsg
rename - rename i:ss rename
rmdir - rmdir i:s __rmdir rmdir
select - select Ci:iPPPP __select __libc_select select
send - send Ci:ibUi __libc_send __send send
sendmsg - sendmsg Ci:ipi __libc_sendmsg __sendmsg sendmsg
sendto - sendto Ci:ibUibn __libc_sendto __sendto sendto
setdomain - setdomainname i:si setdomainname
setegid - setegid i:i __setegid setegid
seteuid - seteuid i:i __seteuid seteuid
setgid - setgid i:i __setgid setgid
setgroups - setgroups i:ip setgroups
sethostid - sethostid i:i sethostid
sethostname - sethostname i:pi sethostname
setpgid - setpgrp i:ii __setpgid setpgid
setpriority - setpriority i:iii __setpriority setpriority
setregid - setregid i:ii __setregid setregid
setreuid - setreuid i:ii __setreuid setreuid
setrlimit - setrlimit i:ip __setrlimit setrlimit
setsid - setsid i: __setsid setsid
setsockopt - setsockopt i:iiibn setsockopt __setsockopt
setuid - setuid i:i __setuid setuid
shutdown - shutdown i:ii shutdown
sigsuspend - sigsuspend Ci:p sigsuspend
socket - socket i:iii __socket socket
socketpair - socketpair i:iiif socketpair
statfs - statfs i:sp __statfs statfs
swapoff - swapoff i:s swapoff
swapon - swapon i:s swapon
symlink - symlink i:ss __symlink symlink
sync - sync i: sync
syncfs - syncfs i:i syncfs
truncate - truncate i:si __truncate truncate
umask - umask Ei:i __umask umask
uname - uname i:p __uname uname
unlink - unlink i:s __unlink unlink
utimes - utimes i:sp __utimes utimes
vhangup - vhangup i:i vhangup
write - write Ci:ibU __libc_write __write write
writev - writev Ci:ipi __writev writev然后根据syscall-template.S这个汇编生成对应的系统调用，使用对应架构中的宏定义生成汇编代码来制作可执行文件：
(echo '#define SYSCALL_NAME $syscall'; \\
echo '#define SYSCALL_NARGS $nargs'; \\
echo '#define SYSCALL_ULONG_ARG_1 $ulong_arg_1'; \\
echo '#define SYSCALL_ULONG_ARG_2 $ulong_arg_2'; \\
echo '#define SYSCALL_SYMBOL $strong'; \\
echo '#define SYSCALL_NOERRNO $noerrno'; \\
echo '#define SYSCALL_ERRVAL $errval'; \\
echo '#include <syscall-template.S>'; \\"
;;
esacsyscall 函数
使用glibc提供的syscall函数编写系统调用：
// posix/unistd.h
#ifdef __USE_MISC
/* Invoke `system call' number SYSNO, passing it the remaining arguments.
This is completely system-dependent, and not often useful.
In Unix, `syscall' sets `errno' for all errors and most calls return -1
for errors; in many systems you cannot pass arguments or get return
values for all system calls (`pipe', `fork', and `getppid' typically
among them).
In Mach, all system calls take normal arguments and always return an
error code (zero for success). */
extern long int syscall (long int __sysno, ...) __THROW;
#endif /* Use misc. */
// sysdeps/unix/sysv/linux/syscall.c
long int
syscall (long int number, ...)
{
va_list args;
va_start (args, number);
long int a0 = va_arg (args, long int);
long int a1 = va_arg (args, long int);
long int a2 = va_arg (args, long int);
long int a3 = va_arg (args, long int);
long int a4 = va_arg (args, long int);
long int a5 = va_arg (args, long int);
va_end (args);
int r = INTERNAL_SYSCALL_NCS_CALL (number, a0, a1, a2, a3, a4, a5);
if (__glibc_unlikely (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (r)))
{
__set_errno (-r);
return -1;
}
return r;
}sysno为系统调用号
返回系统调用的返回值，调用失败返回-1
linux系统调用宏
这部分在内核通过宏定义实现，x86架构的汇编直接写在nolibc.h中，其他架构的汇编写在对应架构中(注释说的，但是咱没找到)。
#define my_syscall0(num) \
({ \
long _ret; \
register long _num asm("eax") = (num); \
\
asm volatile ( \
"int $0x80\n" \
: "=a" (_ret) \
: "0"(_num) \
: "memory", "cc" \
); \
_ret; \
})软中断陷入
其实glibc的实现都是软中断int $0x80的封装，以chmod为例，创建一个test文件。
touch test
ll
-rw-r--r-- 1 oripoin oripoin 0 Aug 12 12:45 test使用内联汇编调用`SYS_chmod：
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <sys/types.h>
int main()
{
long rc;
unsigned short mode = 0777;
char *file_name = "./test";
asm(
"int $0x80"
: "=a" (rc)
: "0" (SYS_chmod), "b" ((long)file_name), "c" ((long)mode)
);
if (rc == -1)
perror("SYS_chmod chmod fail\n");
else
printf("SYS_chmod chmod succeed\n");
return 0;
}ll
-rwxr-xr-x 1 oripoin oripoin 16K Aug 12 12:45 chmod_test*
-rw-r--r-- 1 oripoin oripoin 522 Aug 12 12:45 main.cpp
-rw-r--r-- 1 oripoin oripoin 0 Aug 12 12:45 test