Linux 下系統呼叫的三種方法

系統呼叫（System Call）是作業系統為在使用者態執行的程式與硬體裝置（如CPU、磁碟、印表機等）進行互動提供的一組介面。當使用者程式需要發生系統呼叫時，CPU 通過軟中斷切換到核心態開始執行核心系統呼叫函式。下面介紹Linux 下三種發生系統呼叫的方法：

通過 glibc 提供的庫函式

glibc 是 Linux 下使用的開源的標準 C 庫，它是 GNU 釋出的 libc 庫，即執行時庫。glibc 為程式設計師提供豐富的 API（Application Programming Interface），除了例如字串處理、數學運算等使用者態服務之外，最重要的是封裝了作業系統提供的系統服務，即系統呼叫的封裝。那麼glibc提供的系統呼叫API與核心特定的系統呼叫之間的關係是什麼呢？

通常情況，每個特定的系統呼叫對應了至少一個 glibc 封裝的庫函式，如系統提供的開啟檔案系統呼叫 sys_open 對應的是 glibc 中的 open 函式；
其次，glibc 一個單獨的 API 可能呼叫多個系統呼叫，如 glibc 提供的 printf 函式就會呼叫如 sys_open、sys_mmap、sys_write、sys_close 等等系統呼叫；
另外，多個 API 也可能只對應同一個系統呼叫，如glibc 下實現的 malloc、calloc、free 等函式用來分配和釋放記憶體，都利用了核心的 sys_brk 的系統呼叫。

舉例來說，我們通過 glibc 提供的chmod 函式來改變檔案 etc/passwd 的屬性為 444：

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
        int rc;

        rc = chmod("/etc/passwd", 0444);
        if (rc == -1)
                fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);
        else
                printf("chmod success!\n");
        return 0;
}

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#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <errno.h>

#include <stdio.h>

int main()

{

int rc;

rc = chmod("/etc/passwd", 0444);

if (rc == -1)

fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);

else

printf("chmod success!\n");

return 0;

}

在普通使用者下編譯運用，輸出結果為：

chmod failed, errno = 1

1 2	chmod failed, errno = 1

上面系統呼叫返回的值為-1，說明系統呼叫失敗，錯誤碼為1，在 /usr/include/asm-generic/errno-base.h 檔案中有如下錯誤程式碼說明：

#define EPERM       1                /* Operation not permitted */

1 2	#define EPERM 1 /* Operation not permitted */

即無許可權進行該操作，我們以普通使用者許可權是無法修改 /etc/passwd 檔案的屬性的，結果正確。

使用 syscall 直接呼叫

使用上面的方法有很多好處，首先你無須知道更多的細節，如 chmod 系統呼叫號，你只需瞭解 glibc 提供的 API 的原型；其次，該方法具有更好的移植性，你可以很輕鬆將該程式移植到其他平臺，或者將 glibc 庫換成其它庫，程式只需做少量改動。
但有點不足是，如果 glibc 沒有封裝某個核心提供的系統呼叫時，我就沒辦法通過上面的方法來呼叫該系統呼叫。如我自己通過編譯核心增加了一個系統呼叫，這時 glibc 不可能有你新增系統呼叫的封裝 API，此時我們可以利用 glibc 提供的syscall 函式直接呼叫。該函式定義在 unistd.h 標頭檔案中，函式原型如下：

long int syscall (long int sysno, ...)

1	long int syscall (long int sysno, ...)

sysno 是系統呼叫號，每個系統呼叫都有唯一的系統呼叫號來標識。在 sys/syscall.h 中有所有可能的系統呼叫號的巨集定義。
… 為剩餘可變長的引數，為系統呼叫所帶的引數，根據系統呼叫的不同，可帶0~5個不等的引數，如果超過特定系統呼叫能帶的引數，多餘的引數被忽略。
返回值 該函式返回值為特定系統呼叫的返回值，在系統呼叫成功之後你可以將該返回值轉化為特定的型別，如果系統呼叫失敗則返回 -1，錯誤程式碼存放在 errno 中。

還以上面修改 /etc/passwd 檔案的屬性為例，這次使用 syscall 直接呼叫：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <errno.h>

int main()
{
        int rc;
        rc = syscall(SYS_chmod, "/etc/passwd", 0444);

        if (rc == -1)
                fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);
        else
                printf("chmod succeess!\n");
        return 0;
}

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#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/syscall.h>

#include <errno.h>

int main()

{

int rc;

rc = syscall(SYS_chmod, "/etc/passwd", 0444);

if (rc == -1)

fprintf(stderr, "chmod failed, errno = %d\n", errno);

else

printf("chmod succeess!\n");

return 0;

}

在普通使用者下編譯執行，輸出的結果與上例相同。

通過 int 指令陷入

如果我們知道系統呼叫的整個過程的話，應該就能知道使用者態程式通過軟中斷指令int 0x80 來陷入核心態（在Intel Pentium II 又引入了sysenter指令），引數的傳遞是通過暫存器，eax 傳遞的是系統呼叫號，ebx、ecx、edx、esi和edi 來依次傳遞最多五個引數，當系統呼叫返回時，返回值存放在 eax 中。

仍然以上面的修改檔案屬性為例，將呼叫系統呼叫那段寫成內聯彙編程式碼：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <errno.h>

int main()
{
        long rc;
        char *file_name = "/etc/passwd";
        unsigned short mode = 0444;

        asm(
                "int $0x80"
                : "=a" (rc)
                : "0" (SYS_chmod), "b" ((long)file_name), "c" ((long)mode)
        );

        if ((unsigned long)rc >= (unsigned long)-132) {
                errno = -rc;
                rc = -1;
        }

        if (rc == -1)
                fprintf(stderr, "chmode failed, errno = %d\n", errno);
        else
                printf("success!\n");

        return 0;
}

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#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/syscall.h>

#include <errno.h>

int main()

{

long rc;

char *file_name = "/etc/passwd";

unsigned short mode = 0444;

asm(

"int $0x80"

: "=a" (rc)

: "0" (SYS_chmod), "b" ((long)file_name), "c" ((long)mode)

);

if ((unsigned long)rc >= (unsigned long)-132) {

errno = -rc;

rc = -1;

}

if (rc == -1)

fprintf(stderr, "chmode failed, errno = %d\n", errno);

else

printf("success!\n");

return 0;

}

如果 eax 暫存器存放的返回值（存放在變數 rc 中）在 -1~-132 之間，就必須要解釋為出錯碼（在/usr/include/asm-generic/errno.h 檔案中定義的最大出錯碼為 132），這時，將錯誤碼寫入 errno 中，置系統呼叫返回值為 -1；否則返回的是 eax 中的值。

上面程式在 32位Linux下以普通使用者許可權編譯執行結果與前面兩個相同！

參考資料

Understanding The Linux Kernel, the 3rd edtion
The GNU C Library Reference Manual, for version 2.18

Linux 下系統呼叫的三種方法

通過 glibc 提供的庫函式

使用 syscall 直接呼叫

通過 int 指令陷入

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