关于linux:读书笔记Linux内核设计与实现5

零碎调用

零碎调用就是一组用于用户过程与内核交互的接口。实现：

1. 应用程序 受限 地拜访硬件设施（硬件的形象接口），基于权限进行拜访裁决。
2. 创立过程间通信机制
3. 申请操作系统其它资源的能力。
   零碎调用是用户控件拜访内核的惟一形式，除了异样和陷入之外。

API、POSIX 和 C 库

API：应用程序通过在用户控件实现的利用编程接口。通过 API 进行零碎调用，而不间接进行零碎调用，不须要和零碎调用一一对应。
POSIX 指标是提供基于 Unix 的可移植操作系统规范。依据 POSIX 定义的 API 函数和零碎调用都有间接的关系。
linux 的零碎调用能够作为 C 库的一部分进行提供，C 库实现了 Unix 零碎次要 API，提供了绝大部分 POSIX API。
程序员只跟 API 打交道，Unix 的接口设计准则是只提供机制而不提供策略。

应用 Linux 零碎调用

程序员通过 API 调用进行零碎调用，关注输出，输入，全局错误码 errno 变量。通过 perror()库函数，把 errno 变量进行打印。定义零碎调用：

asmlinkage long sys_getpid(void)

限定词 asmlinkage 是一个编译指令，告诉编译器仅从栈中提取该函数的参数，所有零碎调用都须要这个限定词。

函数返回值 long，兼顾 32 位和 64 位，零碎调用在用户空间和内核空间有不同的返回值类型，在用户空间为 int，内核空间 long。

零碎调用号

1. 每个零碎调用对应一个零碎调用号。
2. 过程不会提及零碎调用的名称。
3. 一旦调配就不能扭转，否则零碎解体，不兼容。
4. 零碎被删除或者废除后，Linux 有一个未实现零碎调用 sys_ni_syscall()，除了返回 -ENOSYS 外不做任何工作。
5. sys_call_table 零碎调用表中记录了所有注册过的零碎调用列表。
6. 不同体系结构，零碎调用表不同。x86 在 arch/i386/kernel/syscall_64.c

零碎调用性能

Linux 零碎调用性能比其余操作系统要好，因为他有更短的上下文切换，而且零碎调用处理程序和每个零碎调用自身都比拟简洁。

零碎调用处理程序

用户态过程通过软中断的形式告诉内核须要执行一个零碎调用：引发一个异样，促使零碎切换到内核态去执行异样处理程序，该程序就是零碎调用处理程序，中断号 128,int $0x80 指令触发中断，system_call()，与硬件体系结构严密相干
，x86-64 用汇编写的 entry_64.S，后减少了 sysenter 指令。

陷入内核的同时，须要把零碎调用号一并传给内核，x86 上通过寄存器 eax.system_call()将零碎调用号与 NR_syscalls 作比拟，大于或等于 NR_syscalls，函数返回 -ENOSYS，否则就执行相应的零碎调用:

call *sys_call_table(,%rax,8)

因为零碎调用表中的表项是以 64 位（8 字节）类型寄存的，所以内核须要将给定的零碎调用号 *4, 而后将所得后果在该表中查问地位(????),x86-32 零碎上，代码很相似，只是用 4 代替 8。

零碎调用的参数传递通过寄存器进行传递 ebx, ecx, edx, esi 和 edi 寄存前 5 个参数，6 个或以上，用一个独自寄存器寄存指向这些参数在用户空间地址的指针。

返回值也是通过寄存器进行传送,eax 寄存器中。

零碎调用实现

在 linux 设计和实现一个零碎调用是难题，退出内核不麻烦。

1. 决定用处，调用参数，返回值，错误码。力求简洁，稳固，向后兼容，可移植性。许多零碎调用通过提供标记参数以确保向前兼容，标记并不是用来让单个零碎调用具备多个不同的行为，而是为了即便减少新的性能和选项，也不毁坏向后兼容或不须要减少新的零碎调用。别对机器的字节长度和字节序做假如。
2. 参数验证，用户输出，用户指针（拜访权限问题, 指向区域必须是用户控件，指针指向的内存区域在过程的地址空间内，可读可写可执行的权限分清）copy_from_user(), copy_to_user(): 目标地址，源地址，内存长度。可能引起阻塞，当蕴含用户数据的页被换到硬盘上而不是物理内存上时，过程休眠，晓得缺页处理程序将该页从硬盘从新换回物理内存。权限验证：通过 capable() 函数查看是否有权对特定资源进行操作，非 0 有权操作。

3. 零碎调用上下文，如果执行零碎调用，内核就处于过程上下文，current 指针指向当前任务。

   • 过程上下文中，内核能够休眠（零碎调用阻塞或者 schedule()调用）
   • 能够被抢占，新过程能够应用雷同的零碎调用，所以要留神该零碎调用是否可重入。
   • 零碎调用返回时，控制权依然在 system_call() 中，他最终会负责切换回用户空间，并让用户过程继续执行上来。

4. 绑定零碎调用

   • 零碎调用表 entry.s 中减少一个表项，0 开始 -end
   • 与体系结构强相干，<asm/unistd.h>
   • 零碎调用必须被编译进内核映像，不能被编译成模块，放在 kernel/ 下一个相干文件就可了，如sys.c

   ENTRY(sys_call_table)
    .long sys_restart_syscall
   ....

   • 没有明确指向编号，默认从 0 -
   • 须要对每个体系结构减少该零碎调用
   • 零碎调用号减少到 <asm/unistd.h> 中,

   #define __NR_restart_systemcall 0
   ...

5. 从用户空间拜访零碎调用

   • 通过 c 库进行调用，新增的零碎调用可能不反对
   • 能够应用宏对系统调用进行拜访，他会设置好寄存器并调用陷入指令。

   _syscalln()//0-6, 代表传递给零碎调用的参数个数
   long open(const char *filename, int flags, int mode)
   
   #define NR_open 5 //<asm/unistd.h> 中定义，是零碎调用号
   _syscall3(long, open, const char, *filename, int, flags, int, mode)

   • 该宏会被扩大为内嵌汇编的 c 函数。将零碎调用号和参数压入寄存器并触发软中断来陷入内核。把下面的宏放在应用程序中就行。

6. 不举荐通过零碎调用的形式实现
   零碎调用在 linux 中容易创立和使用方便以及高性能。
   问题是

   • 须要一个零碎调用号，官网调配
   • 退出稳固内核后就被固化，不能做扭转
   • 须要将他别离注册到不同体系结构中，
   • 脚本中不容易应用零碎调用，也不能从文件系统中拜访零碎调用
     代替办法
   • 实现一个设施节点，对此实现 read 和write，应用 ioctl 对特定的设置进行操作或者对特定的信息进行检索。
   • 像信号量这样的某些接口，能够用文件描述符来示意，因而也就能够依照上述办法对他进行操作
   • 把减少的信息作为一个文件放在 sysfs 的适合地位。