HDU操作系统实验1.2·1.3——设计和添加Linux系统调用

实验介绍

上篇文章已经介绍了Linux内核的编译与安装，我们已经掌握了Linux系统内核的编译和启用。接下来，我们将学习掌握如何添加Linux的系统调用，学习掌握测试Linux系统调用。

什么是系统调用（system call)

由操作系统提供的供所有系统调用的程序接口集合;用户程序通常只在用户态下运行，当用户程序想要调用只能在内核态运行的子程序时，所以操作系统需要提供访问这些内核态运行的程序的接口，这些接口的集合就叫做系统调用。简要的说，系统调用是内核向用户进程提供服务的唯一方法。应用程序有时会需要一些危险的、权限很高的指令，如果把这些权限放心地交给用户程序是很危险的(比如一个进程可能修改另一个进程的内存区，导致其不能运行)，但是又不能完全不给这些权限。于是有了系统调用，危险的指令被包装成系统调用，用户程序只能调用而无权自己运行那些危险的指令。另外，计算机硬件的资源是有限的，为了更好的管理这些资源，所有的资源都由操作系统控制，进程只能向操作系统请求这些资源。操作系统是这些资源的唯一入口，这个入口就是系统调用。

实验准备

华为云服务器，OpenEuler操作系统，Xshell远程登录软件（可选）

在做此实验时需要多次编译内核，如果使用VMware本地虚拟机来进行实验，8个线程编译内核耗时过多，所以使用华为云服务器，购买32线程的云服务器编译内核1分钟就搞定，这样会节省很多时间，而且不用担心编译内核时出现bug导致本地虚拟机死机。

本次实验全程在华为云服务器下进行

掌握Linux内核的编译与安装请参考https://blog.csdn.net/weixin_53621503/article/details/123832515?spm=1001.2014.3001.5501

开始实验

1.2——掌握Linux系统调用基本概念

添加一个新的系统调用，通过内核打印调试语句printk打印自己的学号

1.将系统调用的函数加入到syscalls数组中

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/uapi/asm-generic/  /*进入操作目录*/vim unistd.h  /*编辑该文件*/

在该文件中输入

#define __NR_hyb 294
__SYSCALL(__NR_hyb, sys_hyb)

如上图所示（注意坑点1：在编辑该文件时，找到文件最后一行为294，在其上加入系统调用函数，然后将最后的294改为295。后续实验添加调用函数后将295改为296以此类推。）

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

2.在头文件中声明系统调用函数

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/linux/  /*进入头文件目录*/vim syscalls.h  /*编辑该文件*/

在该文件中输入

asmlinkage long sys_hyb(void);

如上图所示（注意坑点2：在编辑该文件时，不要将声明的函数加在 if 语句中，即将该声明放在#endif下面）

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

3.添加函数体

输入

cd kernel-kernel-4.19/kernel/  /*进入目录*/vim sys.c /*在该文件中添加需要的函数体*/

在文件中添加如上图所示的内容（这里的坑点与坑点2相同）

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

4.编译、安装内核

输入

make -j 32  /*32为线程数，虚拟机为多少这里就写多少*/make modules_installmake installreboot

此操作时间取决于线程数量，越多耗时越短（注意坑点3：类似的操作都需要在kernel-kernel-4.19目录下进行）

5.编写测试代码

参考课本

输入

vim hyb.c  /*新建一个名为hyb.c的C语言文件*/

输入如上图所示的内容

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

6.编译生成hyb_0文件

输入

gcc hyb.c -o hyb_0

如图所示，生成了一个名为hyb_0的文件

输入

./hyb_0  /*查看编译运行结果*/

如图所示即为1.2实验结果

1.3——设计和添加系统调用

经过1.2的步骤，对于1.3来说，大致的过程与1.2不尽相同（三步走：写调用函数——编译安装内核——编写测试代码）

题目一（必做）：修改或返回指定进程的优先级（nice值和prio值）

提示：可能参考的内核函数：set_user_nice()

1.将系统调用的函数加入到syscalls数组中

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/uapi/asm-generic/  /*进入操作目录*/vim unistd.h  /*编辑该文件*/

在该文件中输入

#define __NR_hybsetnice 295
__SYSCALL(__NR_hybsetnice, sys_hybsetnice)

如图所示，同理，根据上文介绍将末尾的数字295改为296

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

2.在头文件中声明系统调用函数

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/linux/  /*进入头文件目录*/vim syscalls.h  /*编辑该文件*/

在该文件中输入

（这里的坑点与坑点2相同）

3.添加函数体

输入

cd kernel-kernel-4.19/kernel/  /*进入目录*/vim sys.c /*在该文件中添加需要的函数体*/

在该文件中添加函数体，注意格式正确（坑点与坑点2相同）

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

4.编译、安装内核

输入

make -j 32  /*32为线程数，虚拟机为多少这里就写多少*/make modules_installmake installreboot

5.编写测试代码

输入

vim hyb_1.c  /*生成一个C语言文件并且编辑*/

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

6.编译生成hyb_1文件

输入

gcc hyb_1.c -o hyb_1

我们可以看到已经生成了hyb_1编译后的文件

如图所示即为运行后的实验结果

题目一小结：

在实验中，需要用到 Linux top命令行操作，什么是top?

top 命令可以动态地持续监听进程地运行状态，与此同时，该命令还提供了一个交互界面，用户可以根据需要，人性化地定制自己的输出，进而更清楚地了进程的运行状态。

在上图中看到有PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND值，这里着重注意PR值和NI值。（PR值——优先级；NI值——nice值，有＋有－，负值表示高优先级，正值表示低优先级）也就是题目中的nice prio值。

那么，什么是nice值和prio值？

通俗来说，nice值越低，证明这个进程越不nice（这个进程很霸道）抢占CPU的能力就越强，所以，值越低，进程的优先级越高。prio值即为priority值，为top命令中看到的PR值，优先级。

选做题目二

返回指定进程的内存管理信息，如进程可执行代码的起始及结束地址、已初始化数据的起始及结束地址、用户态堆栈起始地址、堆起始地址等。

提示：可能参考的内核函数：get_task_mm()

https://blog.csdn.net/weixin_42513814/article/details/116624649

在进行此实验时，我们需要知道内核函数返回参数的说明，根据这个网址，可以查询。

（牢记三步走战术）

1.将系统调用的函数加入到syscalls数组中

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/uapi/asm-generic/  /*进入操作目录*/vim unistd.h  /*编辑该文件*/

同理，将下方的数字296改为297。

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

2.在头文件中声明系统调用函数

cd kernel-kernel-4.19/include/linux/  /*进入头文件目录*/vim syscalls.h  /*编辑该文件*/

在文件中输入

（这里的坑点与坑点2相同）

3.添加函数体

输入

cd kernel-kernel-4.19/kernel/  /*进入目录*/vim sys.c /*在该文件中添加需要的函数体*/

在该文件中添加函数体，注意格式正确（坑点与坑点2相同）

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

4.编译、安装内核

输入

make -j 32  /*32为线程数，虚拟机为多少这里就写多少*/make modules_installmake installreboot

5.编写测试代码

输入

vim hyb_2.c

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

6.编译生成hyb_2文件

输入

gcc hyb_2.c -o hyb_2

我们可以看到生成了名为hyb_2的文件，运行

在输入PID时，可以参考前面提到过的top命令，输入一个存在的PID，以防报错。

我们可以看到已经返回了6个想要的数据，而且ret=0为正确（ret=-1为错误）。

题目二小结：

题目要求输出6个需要的返回值，在参考资料后，我们发现这个内核函数中还有许许多多其他的返回参数，要学会举一反三。

至此，实验1.3已全部完成，与上一篇博客一起，就是操作系统实验课的实验一。

写在最后：

本次实验是一个很耗时的实验，但是理解掌握了实验的“三步走”方法（声明——加入——编写），这个实验也会迎刃而解。查阅了非常多的资料，网络上的博客也是良莠不齐，晦涩难懂，需要多多参透课本的内容。内核编译需要非常强大的CPU，购买32核64G内存的服务器可以在make modules_install时节省大量的时间（用完记得关！！！）

历经了很多次把内核编译崩溃的情况后，一定要冷静，仔细观察书写的代码有没有漏洞。有时候，往往那简单的一个" "、; 错误就会导致内核的编译失败（浪费了那么多时间还失败了真的很抓狂）。这就告诉我们，书写代码一定要规范仔细不可马虎。这个实验说难很难，说简单也很简单，不光只是1.3的两道题目，更要掌握其运行本质，这样才能在添加系统调用中如鱼得水。

文章写作时间仓促，如有错误请指正，如有问题请在评论区中提问。

加油！