Linux系统分析实验（二）：Linux内核5.0系统调用处理过程

Linux系统分析实验

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sa18225465

实验环境

ubuntu 18.04 虚拟机
VMware workstation 14 Player

实验目的

• 学会使用gdb工具跟踪linux内核函数调用
• 学会使用C代码和嵌入式汇编使用系统中断
• 分析system_call中断处理过程

实验步骤

下载linux5.0内核并编译

下载linux3.9.4内核源码

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v5.x/linux-5.0.tar.xz

解压并编译

cd linux-5.0
make menuconfig #选择compile the kernel with debug info
make

下载menuOS

git clone https://github.com/mengning/menu.git

Makefile内容如下

CC_PTHREAD_FLAGS             = -lpthread
CC_FLAGS                     = -c 
CC_OUTPUT_FLAGS              = -o
CC                           = gcc
RM                           = rm
RM_FLAGS                     = -f
TARGET  =   test
OBJS    =   linktable.o  menu.o test.o
all:    $(OBJS)
	$(CC) $(CC_OUTPUT_FLAGS) $(TARGET) $(OBJS) 
rootfs:
	gcc -o init linktable.c menu.c test.c -m32 -static -lpthread
	gcc -o hello hello.c -m32 -static
	find init hello | cpio -o -Hnewc |gzip -9 > ../rootfs.img
	qemu -kernel ../linux-5.0/arch/x86/boot/bzImage -initrd ../rootfs.img
.c.o:
	$(CC) $(CC_FLAGS) $<
clean:
    $(RM) $(RM_FLAGS)  $(OBJS) $(TARGET) *.bak

编译

cd menu-master
make
cd ..

启动menuOS

qemu -kernel linux-5.0/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img

修改menuOS使用系统调用

这里选择65号系统调用，65号系统调用glibc中接口为int getpgrp(void)，作用是获得当前进程组识别码

在menu-master/main.c中增加两个函数

int Gprp(int argc, char *argv[])
{
    int prp;
    prp = getpgrp();
    printf("pgrp:%d\n",prp);
    return 0;
}
int GprpAsm(int argc, char *argv[])
{
    int prp;
    asm volatile(
        "mov $0x41,%%eax\n\t" 
        "int $0x80\n\t" 
        "mov %%eax,%0\n\t"  
        : "=m" (prp) 
    );
    printf("pgrp:%d\n",prp);
    return 0;
}

并在main函数中注册

MenuConfig("getpgrp","Get process group id",Gprp);
MenuConfig("getpgrp-asm","Get process group id(asm)",GprpAsm);

测试效果

使用gdb逐步跟踪系统调用

打开两个终端，其中一个输入命令

qemu -kernel linux-5.0/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S -append nokaslr

注意：这里必须加-append nokaslr，因为kaslr是linux的防御机制，会对运行的代码进行随机地址映射，使用这个命令禁用随机地址映射，否则和符号表对不上，导致断点设置失效

另一个使用gdb，并设置断点

gdb
(gdb)file linux-5.0/vmlinux
(gdb)target remote:1234
(gdb)b sys_getpgrp
(gdb)c

此时在QEMU窗口中

getpgrp

发现此时已经进入到内核态，运行内核函数，获取grp了，我们需要知道的是我们运行API函数getpgrp()或者通过汇编代码调用65号中断到进入内核态到返回用户态的过程中发生了什么

系统调用的过程

linux5.0内核好像更改了系统调用函数的名字，内核源代码和网上资料的都不太一样，这里参考的是
系统调用system_call的处理过程
在使用int 0x80中断之后，CPU会运行arch/x86/entry/entry_32.S中的指令

//这段代码就是系统调用处理的过程,其它的中断过程也是与此类似
//系统调用就是一个特殊的中断，也存在保护现场和回复现场
ENTRY(system_call)//这是0x80之后的下一条指令
    RING0_INT_FRAME         # can't unwind into user space anyway
    ASM_CLAC
    pushl_cfi %eax          # save orig_eax
    SAVE_ALL//保护现场
    GET_THREAD_INFO(%ebp)
                    # system call tracing in operation / emulation
    testl $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY,TI_flags(%ebp)
    jnz syscall_trace_entry
    cmpl $(NR_syscalls), %eax
    jae syscall_badsys
syscall_call:
    // 调用了系统调用处理函数，实际的系统调用服务程序
    call *sys_call_table(,%eax,4)//定义的系统调用的表，eax传递过来的就是系统调用号，在例子中就是调用的systime
syscall_after_call:
    movl %eax,PT_EAX(%esp)      # store the return value
syscall_exit:
    LOCKDEP_SYS_EXIT
    DISABLE_INTERRUPTS(CLBR_ANY)    # make sure we don't miss an interrupt
                    # setting need_resched or sigpending
                    # between sampling and the iret
    TRACE_IRQS_OFF
    movl TI_flags(%ebp), %ecx
    testl $_TIF_ALLWORK_MASK, %ecx  # current->work
    jne syscall_exit_work//退出之前,syscall_exit_work 
    //进入到syscall_exit_work里边有一个进程调度时机
restore_all:
    TRACE_IRQS_IRET
restore_all_notrace://返回到用户态
#ifdef CONFIG_X86_ESPFIX32
    movl PT_EFLAGS(%esp), %eax  # mix EFLAGS, SS and CS
    # Warning: PT_OLDSS(%esp) contains the wrong/random values if we
    # are returning to the kernel.
    # See comments in process.c:copy_thread() for details.
    movb PT_OLDSS(%esp), %ah
    movb PT_CS(%esp), %al
    andl $(X86_EFLAGS_VM | (SEGMENT_TI_MASK << 8) | SEGMENT_RPL_MASK), %eax
    cmpl $((SEGMENT_LDT << 8) | USER_RPL), %eax
    CFI_REMEMBER_STATE
    je ldt_ss           # returning to user-space with LDT SS
#endif
restore_nocheck:
    RESTORE_REGS 4          # skip orig_eax/error_code
irq_return:
    INTERRUPT_RETURN//iret（宏），系统调用过程到这里结束

实验总结

• 系统调用可以通过编程语言的API和汇编代码实现
• 系统调用是一个用户态->内核态->用户态的过程
• 当调用一个系统调用时，CPU从用户态切换到内核态并开始执行一个system_call和系统调用内核函数。在Linux中通过执行int 0x80来触发系统调用，内核为每个系统调用分配一个系统调用号，用户态进程必须明确指明系统调用号，需要使用EAX寄存器来传递。
• 系统调用可能需要参数，但是不能通过像用户态进程函数中将参数压栈的方式传递，因为用户态和内核态有不同的堆栈，必须通过寄存器的方式传递参数。