2021-08-11hit-oslab2系统调用
问题1：为什么需要有系统调用？
系统分为用户空间和内核空间，内核空间存有重要的数据（比如用户密码）和重要的代码（调度程序，文件管理系统什么的）。用户空间不能随意访问内核空间，否则会有极大的安全隐患（比如得到了内核空间的用户密码，随意下载软件，可能会下载恶意软件，比如更改调度程序，让程序一直运行）
问题2：如何分隔用户态和内核态？
1）用户态无法访问内核态数据，而内核态可以访问所有数据。
2）指令的最后两位标识特权，3为用户态，0为内核态。
3）检查当前指令和目标指令的特权
系统调用的具体过程
1）用户调用系统接口API
（我的理解API是连接用户程序和内核的桥梁，用户程序可使用内核中的函数接口，但是得借助API将数据传入内核中运行）
【系统调用和普通的函数调用没有区别，都是直接调用然后实现一定的功能，
自定义函数是直接通过call指令跳转到该函数的地址上去运行，
但是系统调用则是调用为该系统编写的一个接口函数，也就是API(application programming interface)
而API不能直接的完成系统调用的功能，它只是提供了一个接口去调用真正的系统调用。
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版权声明：本文为CSDN博主「东瓜lqd」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/qq_41708792/article/details/89604209】
2）API将系统调用号存入EAX（寄存器)，其他传入的参数依次存入寄存器EBX、ECX、、、以此类推。
（系统调用号是用来表明调用的具体是内核中的哪一个函数，但是我不明白的是：如果有多个进程同时调用同一个函数，那如何区分是哪个进程在调用该函数，像c++的类一样做区分吗？
【函数本身只是代码,代码是只读的,无论多少个线程同时调用都无所谓,因为是只读嘛.但是函数里面总要用到暑假 ,如果数据属性线程级别(比如函数形参–>局部变量–>存在栈上–>每个线程都有自己的栈),那么同时调用是没关系的,因为用的都是本线程的数据;但是如果函数用到一些全局数据,比如全局变量,根据堆内存首地址去访问的堆内存(形参传入的),同时操作一个数据结构(如对一个链表有什么操作),静态局部变量,那就不行了,必须要加锁!!】上网找的资料不知道是否靠谱。）
4）中断处理程序根据对应的系统调用号，调用对应的系统函数（处理中断）
5）对应的系统调用函数调用完后，将返回值存入到EAX中，返回到中断处理函数
6）中断函数返回到API中
7）API将EAX返回给应用程序
（6、7两点没有看懂）
一、应用程序如何调用系统调用？
自定义函数是通过调用call直接跳转到自定义函数的位置开始执行；
系统调用不能直接跳转到内核函数的位置开始执行，而是调用真正的内核函数，它是联通用户程序和系统函数的一道桥梁。
具体的过程为
1）将系统调用号存入EAX。系统调用号是指具体调用了什么系统函数。
2）将其他传递的参数传入其他通用寄存器。
3）触发int 0x80中断
（我的理解是根据中断的类型查找中断向量表，找到对应的解决的方法）
_syscallN(type， name，atype，a，btype，b，…)
N表示要调用的函数中有N个参数。
【因为在unsitd.h已经声明了四种参数传递的方式，在32位处理器上有四个寄存器(eax,ebx,ecx,edx)，
eax用于传递中断调用号和返回值,使用ebx，ecx，edx三个寄存器传递参数，所以最多只可以三个参数，
如果要增加参数需要采用栈来传递参数，寄存器只需要获取栈的地址和参数的长度。
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以__syscall1(int,close,int ,fd)为例，这是用户程序通过API调用内核中的close（）函数
#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
int close(int fd);
其中_NR_##name为系统调用号，指明调用系统中的哪个函数，并将其存放到寄存器eax中，其他的参数依次存放到通用寄存器当中。
“int 0x80”:”=a”(__res):””(__NR_##name),
”b”((long)(a)),”c”((long)(b)),“d”((long)(c)))
//((long)(a))为函数传入的参数，“b”为存储参数的寄存器
例如将close（）函数用_syscall1(int,close,int,fb)进行宏展开
int close(int fd)
{long __res;__asm__ volatile ("int $0x80": "=a" (__res): "0" (__NR_close),"b" ((long)(fd)));if (__res >= 0)return (int) __res;errno = -__res;return -1;
}
这就是 API 的定义。它先将宏 __NR_close 存入 EAX，将参数 fd 存入 EBX，然后进行 0x80 中断调用。调用返回后，从 EAX 取出返回值，存入 __res，再通过对 __res 的判断决定传给 API 的调用者什么样的返回值。
因此在本实验中，需要在unistd.h中为系统编写的函数加上系统调用号。
/*
而在应用程序中，要有：
*//* 有它，_syscall1 等才有效。详见unistd.h */
#define __LIBRARY__/* 有它，编译器才能获知自定义的系统调用的编号 */
#include "unistd.h"/* iam()在用户空间的接口函数 */
_syscall1(int, iam, const char*, name);/* whoami()在用户空间的接口函数 */
_syscall2(int, whoami,char*,name,unsigned int,size);
Linux的内核中实现了一些API，因为在内核加载完成后，会跳转到用户态中做一些初始化的工作，用户态需要一些系统调用，因此在内核中实现了一部分的API。
二、通过int 0x80进入内核态
以下内容由计算机在开机启动的时候，初始化设置IDT表的表项
sched_initi()在init/main.c函数中调用，用于在内核加载完成后的初始化。
【其中15表示此中断号对应的是陷阱门，注意，这个中断向量不是中断门描述符。比如硬盘中断（hd_interrupt）或定时器中断（timer_interrupt）等硬件类的中断才设置为中断门描述符。陷阱门是可被中断的。】
上图中的n为0x80，是在中断向量表基址中查找相应的中断处理程序？
其他的参数设置：
type = 15，dpl = 3，addr = &system_call；
用段选择符和便宜地址设置成新的CS:IP
其他的补充：
void main(void)
{// ……time_init();sched_init();buffer_init(buffer_memory_end);
// ……
}
sched_init() 在 kernel/sched.c 中定义为：
void sched_init(void)
{// ……set_system_gate(0x80,&system_call);
}
set_system_gate 是个宏，在 include/asm/system.h 中定义为：
设置系统陷阱门函数。// 上面 set_trap_gate()设置的描述符的特权级为 0，而这里是 3。因此 set_system_gate()设置的// 中断处理过程能够被所有程序执行。例如单步调试、溢出出错和边界超出出错处理。// 参数：n - 中断号；addr - 中断程序偏移地址。（发生该中断的时候需要调用的函数）// &idt[n]是中断描述符表中中断号 n 对应项的偏移值；中断描述符的类型是 15，特权级是 3。
#define set_system_gate(n,addr) \_set_gate(&idt[n],15,3,addr)
_set_gate 的定义是：
设置门描述符宏。// 根据参数中的中断或异常处理过程地址 addr、门描述符类型 type 和特权级信息 dpl，设置位于// 地址 gate_addr 处的门描述符。（注意：下面“偏移”值是相对于内核代码或数据段来说的）。// 参数：gate_addr -描述符地址；type -描述符类型域值；dpl -描述符特权级；addr -偏移地址。// %0 - (由 dpl,type 组合成的类型标志字)；%1 - (描述符低 4 字节地址)；// %2 - (描述符高 4 字节地址)；%3 - edx(程序偏移地址 addr)；%4 - eax(高字中含有段选择符 0x8)。
#define _set_gate(gate_addr,type,dpl,addr) \
__asm__ ("movw %%dx,%%ax\n\t" \
// 将偏移地址低字与选择符组合成描述符低 4 字节(eax)。"movw %0,%%dx\n\t" \// 将类型标志字与偏移高字组合成描述符高 4 字节(edx)。"movl %%eax,%1\n\t" \// 分别设置门描述符的低 4 字节和高 4 字节。"movl %%edx,%2" \: \: "i" ((short) (0x8000+(dpl<<13)+(type<<8))), \"o" (*((char *) (gate_addr))), \"o" (*(4+(char *) (gate_addr))), \"d" ((char *) (addr)),"a" (0x00080000))//"a"内放置段选择符
其作用为填写IDT表格（中断描述符表），将 system_call 函数地址写到 0x80 对应的中断描述符中，也就是在中断 0x80 发生后，自动调用函数 system_call。
【汇编注释：
1、mov ：为寄存器移动指令,例如movw dx,ax 即为dx-〉ax,mov为移动指令。“w”为长度的指定w=word=16位=2个字节；相应的“l”=long=32位=4字节。
2、% ：AT&T汇编在引用寄存器时要在前面加1个%，%%是因为GCC在编译时会将%视为特殊字符，拥有特殊意义，%%仅仅是为了汇编的%不被GCC全部转译掉
3、ax 与 eax ：ax与eax之间是有联系的，他们并不是孤立的，eax为32位寄存器，ax为16位寄存器，而ax就是eax的低16位。dx与edx具有相同的关系。
4、%0、%1、%2、%3：0、1、2、3可以看作变量，这些变量在程序的":“之后,程序的两个”:",是定义输入、输出项的。针对这段程序这些变量的前面都加了明确的限定，例如"i"(输入项)、“o”(输出项)，剩下的"d"(edx的初始值),“a”(eax的初始值)。而0、1、2、3的概念就是指第几个变量，这里输入项、输出向、寄存器初始混合编号；相应的0（“i”((short)(0x8000+(dpl<<13)+(type<<8))))）;1（(*((char )(gate_addr)))）;2（((4+(char *)(gate_addr)))）;3（“d”((char )(addr))）;4（“a”(0x00080000)）
5、<<:这是个运算符，如果大家觉得<<不好理解可以用乘2的次方来实现相同的效果，例如14<<13=142的13次方
6、\n\t:这是嵌入式汇编一种书写格式】
三、实现系统调用
每个系统调用都有一个 sys_xxxxxx() 与之对应，他们都是实实在在的做他们应该做的事情
四、具体实现
1、在kernel文件夹中新建一个who.c文件，里面写入iam和whoami函数的系统调用sys_iam和sys_whoami。
who.c ：
#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
//提供对 POSIX 操作系统 API 的访问功能,在Linux网络编程中往往会用到
#include <errno.h>
//定义了错误码来返回错误信息的宏
//#define EINVAL 22 /* Invalid argument */
//Invalid argument of a function call as defined by POSIX.
#include <asm/segment.h>
//<asm/segment.h>：段操作头文件，定义了有关段寄存器操作的嵌入式汇编函数。
char kname[24];
//存入到内核中的字符串的长度为23，最后一个放置'\0'int sys_iam(const char* name)
//将用户名称从用户空间拷贝到内存空间
{int len = 0;while (get_fs_byte(name + len) != '\0')len++;
//功能：从用户空间addr地址处取出一个字节char
//参数：addr用户空间中的逻辑地址
//返回：fs:[addr]处的一个字节内容
//len为用户地址字符串的偏移量，而name为用户字符串的起始地址，只要没有遇到空字符串就自行向后偏移if (len > 23){errno = EINVAL;//errno 用来保存最后的错误代码，它是一个宏，被展开后是一个 int 类型的数据（在单线程程序中可以认为是一个全局变量），并且当前程序拥有读取和写入的权限。//<errno.h> 头文件中有一个 errno 宏，它就用来存储错误代码，当系统调用或者函数调用发生错误时，就会将错误代码写入到 errno 中，再次读取 errno 就可以知道发生了什么错误。//errno 被设置为 0；程序在运行过程中，任何一个函数发生错误都有可能修改 errno 的值，让其变为一个非零值，用以告知用户发生了特定类型的错误。return -1;}//printk("%d\n", i);int j;for (j = 0; j < len; j++)kname[j] = get_fs_byte(name + j);//从用户的地址逐个读取数据，然后存放在内存当中kname[j] = '\0';return len;//返回读取到的字符串的长度
}
//感受到了：平时写的C语言程序是在用户空间之内运行的，int sys_whoami(char* name, unsigned int size)
//将sys_iam()所数据从内核空间拷贝到用户空间
//并保证拷贝的字符串的大小不超过size
{int len = 0;while (kname[len] != '\0')len++;//统计字符串的长度if (len > size){errno = EINVAL;return -1;//如果字符串的长度超出了指定的范围，就将其改为-1}int i;for (i = 0; i < len; i++)put_fs_byte(kname[i], name + i);//name+1为起始地址+偏移地址put_fs_byte('\0', name + i); //注意这里一定要使用put_fs_byte函数来存入数据，尽管内核可以直接访问用户数据，但也要使用API，否则会报错//记得在字符串的最后加上空字符return len;//返回数据的长度
}为什么要加LIBRARY呢？
这张图片解释了加上__LIBRARY__的原因
2、修改一系列头文件
1）修改/oslab/linux-0.11/kernel的Mikefile
第一处：画线的部分为增加的部分
第二处：画线的部分为增加的部分
注意修改完Makefile后要返回到/linux-0.11/中进行编译
cd ../../../
make all
2）修改/oslab/linux-0.11/include/中的unistd.h
画线的部分为添加的部分，加上自己写的函数的系统调用号
3）修改/oslab/linux-0.11/include/linux中的sys.h
第一处：模仿其他的系统调用，加上函数的声明。
第二处：sys_call_table为函数指针数组的起始地址，需要在这个数组中加上sys_iam和sys_whoami的引用，在数组的中的位置必须和在系统调用号列表中的位置一致。
【call sys_call_table(,%eax,4)这一句话，根据汇编寻址方式来解释这句话:
=> call sys_call_table + 4 * %\eax (eax中存放的是系统调用号，系统调用号也就是那些_nr_xxx)
这里就是通过 一个函数指针数组的起始地址 + 4 * %eax
表示从函数起始地址开始跳过%eax个项，而且每个项是4个字节，然后对应到一个函数入口，
所以也就是跳转到从sys_call_table中的第%eax个函数开始执行，
也就是开始执行那个系统调用。
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4）修改/oslab/linux-0.11/kernel中的system_call.s
将nr_system_calls = 72改成74，因为新增了两个系统调用号
3、然后编写iam.c和whoami.c放在hdc/usr/root下的任何位置
iam.c
1）首先挂载硬盘，并进入到hdc/usr/root/当中
sudo mount-hdc
cd /hdc/usr/root/
2）编写程序
iam.c
#define __LIBRARY__
//这句话是什么含义？
//猜测是一个ifndef，然后就不做其他的事情的东西，所以要定义
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>_syscall1(int, iam, const char*, name)
//是一个宏定义
int main(int argc, char* argv[])
{if (iam(argv[1]) != -1)printf("Input successfully.\n");//命令行的第二个参数为要存储在内核的字符串，如果超出了范围，就会得到-1，意味着输入失败return 0;
}whoami.c:
#define __LIBRARY__
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>_syscall2(int, whoami, const char*, name, unsigned int, size)int main(int argc, char* argv[])
{char uname[24];if (whoami(uname, 24) != -1)printf("%s\n", uname);return 0;
}3）修改头文件/hdc/usr/include/中的unistd.h
注意这里是加上写的测试函数的调用号（这是我困惑的地方，其他的就没有什么要修改的了）
否则会报错
4、测试
1）先取消挂载硬盘
$ sudo umount hdc
2）进入到/oslab/下执行./run
并编译两个程序
gcc -o iam iam.c
gcc -o whoami whoami.c
问题：这几个程序分属于不同的程序，究竟是怎么将其联系在一起的？
补充1：在用户态和内核态之间传递地址
问题：为什么要使用get_fs_byte() 和put_fs_byte()？
Linux 操作系统和驱动程序运行在内核空间，应用程序运行在用户空间，两者不能简单地使用指针传递数据。应用程序采用的是虚拟内存机制，段页式管理空间内存。直接通过虚拟地址访问可能访问到的数据已经被换出，或者访问的是内核空间的地址。
内核空间数据段的选择符为0x10，用户空间数据段选择符为0x17。内核空间、用户空间之间的数据传输，是段间数据传输。
在segment.h中定义了一系列用于内核空间和用户空间传输数据的函数。从用户空间取得数据的函数中， mov指令的源操作数段寄存器都明确指出是fs，向用户空间写数据的函数中， mov指令的目的操作数段寄存器都是fs。当系统调用发生时，int 0x80处理函数会把fs设成用户数据段选择符（0x17），
（从这个角度来说，将内存空间分为用户空间和内核空间，也是分段管理内存的体现）
// 功能：从用户空间中addr地址处取出一个字节
// 参数：addr 用户空间中的逻辑地址
//*%0-(_v),%1-内存地址
// 返回：fs:[addr]处的一个字节内容
extern inline unsigned char get_fs_byte(const char * addr)
{unsigned register char _v;__asm__ ("movb %%fs:%1,%0":"=r" (_v):"m" (*addr));//该指令会完成将*addr中的数据拷贝到_v中的操作return _v;
}
// 功能：向用户空间中addr地址处写一个字节的内容
// 参数：val 要写入的数据
// addr 用户空间中的逻辑地址
// 返回：（无）
extern inline void put_fs_byte(char val,char *addr)
{ // addr是相对于用户数据段的偏移，而当前数据段为内核数据段 // 所以要写成fs:[addr]的形式
__asm__ ("movb %0,%%fs:%1"::"r" (val),"m" (*addr));
}
————————————————
仅以第一个接口get_fs_byte为例，其中"=r"代表函数返回值_v以任意一个寄存器返回，“m"代表输入参数*addr在存入内存当中。%0和%1分别按照寄存器或内存出现的顺序代表它们，所以%1就是那个"m”，%0就是%r。现在程序的意思就比较明了了，其使用%fs作为段寄存器加上 *addr的偏移，取出内存中对应的内容后放入寄存器%r中返回，达到了取一个字节数据的功能。
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版权声明：横线中的为CSDN博主「刘维汉」的原创文章，遵循CC 4.0 BY-SA版权协议，转载请附上原文出处链接及本声明。
原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_44167788/article/details/107942067
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补充2：
AT&T基础知识
内嵌汇编使用的是AT&T汇编，所以首先稍微讲解下AT&T的汇编指令的基础知识。
操作数前缀
movl $8,%eax
movl $0xffff,%ebx
int $0x80
//看到在AT%T汇编中诸如"%eax"、"%ebx"之类的寄存器名字前都要加上"%"；"$8"、"$0xffff"这样的立即数之前都要加上"$"。
源/目的操作数顺序
在Intel语法中，第一个操作数是目的操作数，第二个操作数源操作数。而在AT&T中，第一个数是源操作数，第二个数是目的操作数。
// INTEL语法
MOV EAX,8 //EAX是目的操作数， 8是源操作数
// AT&T语法
movl $8,%eax //8是源操作数 EAX是目的操作数
下面是一个内嵌汇编的例子
int main(){int input = 8;int result = 0;__asm__ __violate__ ("movl %1,%0" : "=r" (result) : "r" (input));printf("%d\n",result);return 0;
}
violate表明不希望编译器对代码进行优化，保持后面的代码原样
“movl %1,%0”是指令模板；“%0”和“%1”代表指令的操作数（ 操作数（operand)，是计算机指令中的一个组成部分，它规定了指令中进行数字运算的量 。 操作数指出指令执行的操作所需要数据的来源。），称为占位符，“=r”代表它之后是输入变量且需用到寄存器，指令模板后面用小括号括起来的是C语言表达式 ，其中input是输入变量，该指令会完成把input的值复制到result中的操作 。
补充3：CPL、RPL、DPL
补充4：print法调试程序
让运行中的程序向外输出一些信息，告知程序的运行状态也是一种很好的调试方式。
printf（）是只有在用户空间中才能运行的函数，在内核空间中得使用printk（）。
这两个函数的接口差不多，只是printk（）需要特别处理一下 fs 寄存器，它是专用于用户模式的段寄存器。
int printk(const char *fmt, ...)
{// ……__asm__("push %%fs\n\t""push %%ds\n\t""pop %%fs\n\t""pushl %0\n\t""pushl $buf\n\t""pushl $0\n\t""call tty_write\n\t""addl $8,%%esp\n\t""popl %0\n\t""pop %%fs"::"r" (i):"ax","cx","dx");
// ……
}
printk() 首先 push %fs 保存这个指向用户段的寄存器，在最后 pop %fs 将其恢复，printk() 的核心仍然是调用 tty_write()。查看 printf() 可以看到，它最终也要落实到这个函数上。
参考文章：
1.内嵌汇编学习
2、哈工大操作系统实验OSLab2-系统调用by刘维汉
3、蓝桥oslab——系统调用
4、
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