FreeBSD 5内核源代码分析之系统调用过程

注:由于code是BBCode的关键字,在某些地方将程序中的变量code改写为_code

系统调用开始于用户程序，接着到达libc进行参数的包装，然后调用内核提供的机制进入内核。

内核提供的系统调用进入内核的方式有几种，包括lcall $X, y方式和
int 0x80方式。其实现都在sys/i386/i386/exception.s中。

我们看最常见的int 0x80入口。

1，int 0x80中断向量的初始化。
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在i386CPU的初始化过程中，会调用函数init386() /*XXX*/
其中有：
代码:
(sys/i386/i386/machdep.c)
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setidt(IDT_SYSCALL, &IDTVEC(int0x80_syscall), SDT_SYS386TGT, SEL_UPL,
GSEL(GCODE_SEL, SEL_KPL));
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在这里设置好int80的中断向量表。

代码:
(sys/i386/include/segments.h)
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#define IDT_SYSCALL 0x80 /* System Call Interrupt Vector */

#define SDT_SYS386TGT 15 /* system 386 trap gate */

#define SEL_UPL 3 /* user priority level */

#define GSEL(s,r) (((s)<<3) | r) /* a global selector */

#define GCODE_SEL 1 /* Kernel Code Descriptor */

#define SEL_KPL 0 /* kernel priority level */
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代码:
(sys/i386/i386/machdep.c)
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void
setidt(idx, func, typ, dpl, selec)
int idx;
inthand_t *func;
int typ;
int dpl;
int selec;
{
struct gate_descriptor *ip;

ip = idt + idx;
ip->gd_looffset = (int)func;
ip->gd_selector = selec;
ip->gd_stkcpy = 0;
ip->gd_xx = 0;
ip->gd_type = typ;
ip->gd_dpl = dpl;
ip->gd_p = 1;
ip->gd_hioffset = ((int)func)>>16 ;
}
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2，int0x80_syscall
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系统调用的入口是int0x80_syscall，在sys/i386/i386/exception.s中。
它其实是一个包装函数，用汇编写成，其目的是为调用C函数syscall()做准备。
代码:
void
syscall(frame)
struct trapframe frame;

由于系统调用最终是要调用syscall()这个函数，
因此需要为它准备一个调用栈，包括参数frame，其类型为struct trapframe
代码:
/*
* Exception/Trap Stack Frame
*/

struct trapframe {
int tf_fs;
int tf_es;
int tf_ds;
int tf_edi;
int tf_esi;
int tf_ebp;
int tf_isp;
int tf_ebx;
int tf_edx;
int tf_ecx;
int tf_eax;
int tf_trapno;
/* below portion defined in 386 hardware */
int tf_err;
int tf_eip;
int tf_cs;
int tf_eflags;
/* below only when crossing rings (e.g. user to kernel) */
int tf_esp;
int tf_ss;
};

这个trapframe实际上就是保存在核心栈上的用户态寄存器的状态，当从
系统调用返回时，需要从这里恢复寄存器等上下文内容。同时，它又是
函数syscall()的参数，这样在syscall()函数里面就可以方便地操纵返回后
的用户进程上下文状态。

我们来看具体的int0x80_syscall。
代码:
/*
* Call gate entry for FreeBSD ELF and Linux/NetBSD syscall (int 0x80)
*
* Even though the name says 'int0x80', this is actually a TGT (trap gate)
* rather then an IGT (interrupt gate). Thus interrupts are enabled on
* entry just as they are for a normal syscall.
*/
SUPERALIGN_TEXT
IDTVEC(int0x80_syscall)
pushl $2 /* sizeof "int 0x80" */

对照struct trapframe可知，此句赋值frame->tf_err=2，记录int 0x80指令的长度，
因为有可能系统调用需要重新执行(系统调用返回ERESTART的话内核会自动重新执行)，
需要%eip的值减去int 0x80的指令长度。

代码:
subl $4,%esp /* skip over tf_trapno */
pushal
pushl %ds
pushl %es
pushl %fs

对照struct trapframe又可知，此时syscall(frame)的参数在堆栈上已经构造好。

代码:
mov $KDSEL,%ax /* switch to kernel segments */
mov %ax,%ds
mov %ax,%es
mov $KPSEL,%ax
mov %ax,%fs

切换到内核数据段，并将%fs设置好，%fs指向一个per cpu的段，内存CPU相关的数据，
比如当前线程的pcb和struct thread指针。

代码:
FAKE_MCOUNT(13*4(%esp))
call syscall
MEX99vCOUNT
jmp doreti

调用syscall()函数。syscall()返回后，
将转到doreti(也在sys/i386/i386/exception.s中)，判断是否可以执行AST，
最后结束整个系统调用。

3，syscall()函数
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我们接着看syscall()函数
代码:
/*
* syscall - system call request C handler
*
* A system call is essentially treated as a trap.
*/
void
syscall(frame)
struct trapframe frame;
{
caddr_t params;
struct sysent *callp;
struct thread *td = curthread;
struct proc *p = td->td_proc;
register_t orig_tf_eflags;
u_int sticks;
int error;
int narg;
int args[8];
u_int code;

/*
* note: PCPU_LAZY_INC() can only be used if we can afford
* occassional inaccuracy in the count.
*/
PCPU_LAZY_INC(cnt.v_syscall);

#ifdef DIAGNOSTIC
if (ISPL(frame.tf_cs) != SEL_UPL) {
mtx_lock(&Giant); /* try to stabilize the system XXX */
panic("syscall");
/* NOT REACHED */
mtx_unlock(&Giant);
}
#endif

sticks = td->td_sticks;
td->td_frame = &frame;
if (td->td_ucred != p->p_ucred)
cred_update_thread(td);

如果进程的user credential发生了改变，更新线程的相应指针。

代码:
if (p->p_flag & P_SA)
thread_user_enter(p, td);

如果进程的线程模型采用scheduler activation，则需要通知用户态的线程manager
(FIXME)

代码:
(sys/sys/proc.h)
#define P_SA 0x08000 /* Using scheduler activa