哈工大李治军老师操作系统实验-系统调用(步骤详细和注释代码）

一、搞清楚系统调用这个实验叫我们干什么活（我差不多2个小时才搞清楚实验目的）：
1.添加两个系统调用:sys_iam()和sys_whoami()。
2.自己写iam.c和whoami.c测试这两个系统调用。
3.在Bochs上用testlab2.sh来测试并统计得分。
4.回答2个问题。

二、通过实验目的我们应该修改或添加以下文件:
1.添加3个文件: who.c; iam.c; whoami.c
2.修改: unistd.h; system_call.s；sys.h ； Makefile

三、我将根据系统调用的执行过程进行实验，以进行sys_iam()为例。
1、在Bochs里，用户态下运行测试代码iam.c ,此时当前程序特权级CPL = 3 ，注意代码的注释要用/* */，不能用//，就这个注释我第一次用//，编译的时候一大堆错误，后来一处一处的改，真是蛋疼呀。

#define __LIBRARY__
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>   
#include<errno.h>/* 功能:用户态文件,测试系统调用iam() */  /* 系统调用: */
/* 第一个是函数返回值类型，第二个为函数名，第三个是参数1的数据类型，第四个是参数1的名称，依次类推 */
_syscall1(int,iam,const char*,myname)#define NAMELEN 50    /* 定义最大长度为50 */
char myname[NAMELEN] = {0}; /* 用户态下，存储名字,并且要初始化 *//* argc是命令行参数的个数，argv存储了所有的命令行输入的所有参数的值 */
/* 比如./iam warm-like-spring  :得到argc=2,argv[0]=./iam,argv[1]=warm-like-spring */
int main(int argc, char* argv[])
{int res = 0;    /* 用于接受系统调用后的返回值 */unsigned int namelen = 0;  /* 名字的实际长度 */if(argc < 2){printf("Input arguments is less!\n");return -1;}else {while(argv[1][namelen] != '\0'){       /* 读取并拷贝main参数接收的输入名字字符串 */myname[namelen] = argv[1][namelen];++namelen;}printf("before systemcall, myname: %s, namelen: %d in iam.c\n",myname,namelen);res = iam(myname);  /* 传递拷贝的参数进行调用 */}if(res == -1) printf("systemcall have bug, res:%d, errno:%d\n",res,errno);  /* 打印对应的错误信息码 */elseprintf("systemcall success, res:%d\n",res);return 0;
}

2、当执行到iam(myname)的时候，开始执行

_syscall1(int,iam,const char*,myname)

这行代码会去执行unistd.h里的如下代码，这段代码会把type替换为int,name替换为iam,atype替换成const char*, a替换为myname。并将__NR_##name替换为__NR_iam。__NR_iam就是对应的系统调用号。并且遇到int $0x80后进行中断处理。

#define _syscall1(type,name,atype,a) \
type name(atype a) \
{ \
long __res; \
__asm__ volatile ("int $0x80" \: "=a" (__res) \: "0" (__NR_##name),"b" ((long)(a))); \
if (__res >= 0) \return (type) __res; \
errno = -__res; \
return -1; \
}

所以我们需要在hdc/usr/include 目录下修改unistd.h，添加系统调用号:

/* 添加系统调用号 */
#define __NR_whoami 72 
#define __NR_iam 73

提示：不能直接在oslab直接直接修改,要修改虚拟的，通过在oslab目录下，在终端里执行下面的命令，之后找到hdc/usr/include里的unistd.h进行修改。

sudo ./mount-hdc

注：在int 0x80指令调用前，先将宏__NR_iam传递给eax，用于后面system_call调用时查找sys_call_table数组里面的系统函数指针，也就是区分是哪个系统调用。触发int $0x80之后通过kernel/sched.c里的set_system_gate(0x80,&system_call)等等一系列处理，将system_call函数地址写到0x80对应的中断描述符里，即当中断0x80发生后，就自动调用system_call代码。这部分我还没学到，细节不是很了解，各位同行见谅。总的来说，使当前优先级CPL=0，满足DPL>=CPL；程序就成功进入内核态运行了。

3、因为执行int $ 0x80指令，自动调用system_call函数，所以我们还需要修改system_call.s代码。修改如下

nr_system_calls = 74  # 新增2个系统调用

注：在执行system_call时，我们要关心如下代码

call sys_call_table(,%eax,4)  # 系统调用关键代码:相当于call sys_call_table + 4 * %eax

这里的eax里已经存储了宏__NR_iam也就是73。因为函数指针32位环境为4个字节,所以要乘4才能在系统调用表里根据地址字节偏移量找到对应的sys_iam函数指针进行sys_iam系统函数的调用。

4、修改linux-0.11/include/linux/sys.h。
注：在sys_call_table[]里的添加函数指针的顺序要和unistd.h里的系统调用号顺序一致。

5、最后调用linux-0.11/kernel/who.c里的sys_iam()。

/* 功能：核心态文件，在who.c里实现系统调用sys_iam()与sys_whoami() */#include<errno.h>         /* linux-0.11/include */
#include<unistd.h>
#include<asm/segment.h>  /* linux-0.11/include/asm */
#include<linux/kernel.h>
/* 直接包含的头文件是到linux-0.11/include目录 */#define MAXLEN 23
char username[MAXLEN+1] = {0};        /* 内核态下，存储名字 */int sys_iam(const char* myname){   /* myname为_syscallx调用时保存好了的 */printk("sys_iam run......\n");unsigned int i = 0;unsigned int namelen = 0;/* get_fs_byte(const char * addr) 从用户空间逻辑地址addr取出一个字节数据 */while(get_fs_byte(myname+namelen)!='\0')++namelen;                          if(namelen > MAXLEN){errno = EINVAL;    /* #define EINVAL  22 : Invalid argument */   return -EINVAL;}printk("namelen:%d\n",namelen);  /* 核心态，用printk() */while(i < namelen){username[i] = get_fs_byte(myname+i);  /* 将用户态下传递的字符串参数拷贝到内核中保存 */++i;}username[i] = '\0';printk("username: %s\n",username);return namelen;
}int sys_whoami(char* myname, unsigned int size){printk("sys_whoami run......\n");unsigned int i = 0;unsigned int namelen = 0;while(username[namelen]!='\0')++namelen;if(size < namelen){   /* size小于所需的拷贝空间 */errno = EINVAL;return -EINVAL;}for(; i <= namelen; ++i){put_fs_byte(username[i], myname+i); /* 将内核态里的数据拷贝到用户态文件里 */}printk("namelen: %d\n",namelen);return namelen;
}

6、修改Makefile,这里不多说了，实验楼里很清楚的，复制粘贴的体力活。
7、保存好所有文件，进入oslab/linux-0.11重新编译内核。如果出错在根据错误debug。如果最后没错，出现sync就OK了。

cd linux-0.11
make all

8、回到oslab目录，./run运行Bochs,在里面编译并测试iam.c和whoami.c。

cd ..
sudo umount hdc  /* 卸载 mount hdc */
./run

补充：iam.c和whoami.c必须要放到 oslab/hdc/user/root目录里。
通过命令行打开hdc

sudo ./mount-hdc

之后将在ubuntu里写好的iam.c和whoami.c拷贝到 oslab/hdc/user/root。之后命令行卸载mount-hdc

sudo ./umount hdc

补充上whoami.c代码

#define __LIBRARY__
#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<errno.h>/* 功能:用户态文件,测试系统调用whoami() */_syscall2(int, whoami, char*, myname, unsigned int, size)#define SIZE 23int main(int argc, char** argv)
{char myname[SIZE+1] = {0}; /* 定义初始化 */unsigned int res = 0;res = whoami(myname, SIZE+1);if(res == -1)printf("systemcall have bug, res:%d, errno:%d\n",res,errno); else{printf("systemcall success.\n"); /*如果要执行testlab2.sh来测试,要把这一行注释掉*/printf("%s\n",myname);}return 0;
}

9、用testlab2.sh脚本测试。注释掉whoami.c里对应的代码后，重新将whoami.c拷贝到hdc/user/root目录里，之后再Bochs里重新编译该文件。

gcc -o whoami whoami.c 
chmod +x testlab2.sh
./testlab2.sh

10、好了，现在可以回答另外实验报告需要回答的2个问题了：
1、通过查看unistd.h文件代码，我们发现有

_syscall0(type,name)
_syscall1(type,name,atype,a)
_syscall2(type,name,atype,a,btype,b)
_syscall3(type,name,atype,a,btype,b,ctype,c)

可以看出后面的数字为0~3，所以最多可以传递3个参数。可以通过添加_syscall4()等等来扩展。
2、以上步骤可以推广到添加系统调用foo()的步骤。
有问题可以留言讨论。