鴻蒙系統逐步跟蹤系統調用實現全過程解析
本篇通過一張圖和七段代碼詳細說明系統調用的整個過程,代碼一捅到底,直到匯編層再也捅不下去. 先看圖,這里的模式可以理解為空間,因為模式不同運行的棧空間就不一樣.
過程解讀
在應用層main中使用系統調用mq_open(posix標準接口)
mq_open被封裝在庫中,這里直接看庫里的代碼.
mq_open中調用syscall,將參數傳給寄出器R7,R0~R6
SVC 0完成用戶模式到內核模式(SVC)的切換
_osExceptSwiHdl運行在svc模式下.
PC寄存器直接指向_osExceptSwiHdl處取指令.
_osExceptSwiHdl是匯編代碼,先保存用戶模式現場(R0~R12寄存器),并調用OsArmA32SyscallHandle完成系統調用
OsArmA32SyscallHandle中通過系統調用號(保存在R7寄存器)查詢對應的注冊函數SYS_mq_open
SYS_mq_open是本次系統調用的實現函數,完成后return回到OsArmA32SyscallHandle
OsArmA32SyscallHandle再return回到_osExceptSwiHdl
_osExceptSwiHdl恢復用戶模式現場(R0~R12寄存器)
從內核模式(SVC)切回到用戶模式,PC寄存器也切回用戶現場.
由此完成整個系統調用全過程
七段追蹤代碼,逐個分析
1.應用程序 main
int main(void)
{
char mqname[NAMESIZE], msgrv1[BUFFER], msgrv2[BUFFER];
const char *msgptr1 = "test message1";
const char *msgptr2 = "test message2 with differnet length";
mqd_t mqdes;
int prio1 = 1, prio2 = 2;
struct timespec ts;
struct mq_attr attr;
int unresolved = 0, failure = 0;
sprintf(mqname, "/" FUNCTION "_" TEST "_%d", getpid());
attr.mq_msgsize = BUFFER;
attr.mq_maxmsg = BUFFER;
mqdes = mq_open(mqname, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, &attr);
if (mqdes == (mqd_t)-1) {
perror(ERROR_PREFIX "mq_open");
unresolved = 1;
}
if (mq_send(mqdes, msgptr1, strlen(msgptr1), prio1) != 0) {
perror(ERROR_PREFIX "mq_send");
unresolved = 1;
}
printf("Test PASSED\n");
return PTS_PASS;
}
2. mq_open 發起系統調用
mqd_t mq_open(const char *name, int flags, ...)
{
mode_t mode = 0;
struct mq_attr *attr = 0;
if (*name == '/') name++;
if (flags & O_CREAT) {
va_list ap;
va_start(ap, flags);
mode = va_arg(ap, mode_t);
attr = va_arg(ap, struct mq_attr *);
va_end(ap);
}
return syscall(SYS_mq_open, name, flags, mode, attr);
}
解讀
SYS_mq_open是真正的系統調用函數,對應一個系統調用號__NR_mq_open,通過宏SYSCALL_HAND_DEF將SysMqOpen注冊到g_syscallHandle中.
static UINTPTR g_syscallHandle[SYS_CALL_NUM] = {0}; //系統調用入口函數注冊 static UINT8 g_syscallNArgs[(SYS_CALL_NUM + 1) / NARG_PER_BYTE] = {0};//保存系統調用對應的參數數量 #define SYSCALL_HAND_DEF(id, fun, rType, nArg) \ if ((id) < SYS_CALL_NUM) { \ g_syscallHandle[(id)] = (UINTPTR)(fun); \ g_syscallNArgs[(id) / NARG_PER_BYTE] |= ((id) & 1) ? (nArg) << NARG_BITS : (nArg); \ } \ #include "syscall_lookup.h" #undef SYSCALL_HAND_DEF SYSCALL_HAND_DEF(__NR_mq_open, SysMqOpen, mqd_t, ARG_NUM_4)
g_syscallNArgs為注冊函數的參數個數,也會一塊記錄下來.
四個參數為 SYS_mq_open的四個參數,后續將保存在R0~R3寄存器中
3. syscall
long syscall(long n, ...)
{
va_list ap;
syscall_arg_t a,b,c,d,e,f;
va_start(ap, n);
a=va_arg(ap, syscall_arg_t);
b=va_arg(ap, syscall_arg_t);
c=va_arg(ap, syscall_arg_t);
d=va_arg(ap, syscall_arg_t);
e=va_arg(ap, syscall_arg_t);
f=va_arg(ap, syscall_arg_t);//最多6個參數
va_end(ap);
return __syscall_ret(__syscall(n,a,b,c,d,e,f));
}
//4個參數的系統調用時底層處理
static inline long __syscall4(long n, long a, long b, long c, long d)
{
register long a7 __asm__("a7") = n; //將系統調用號保存在R7寄存器
register long a0 __asm__("a0") = a; //R0
register long a1 __asm__("a1") = b; //R1
register long a2 __asm__("a2") = c; //R2
register long a3 __asm__("a3") = d; //R3
__asm_syscall("r"(a7), "0"(a0), "r"(a1), "r"(a2), "r"(a3))
}
解讀
可變參數實現所有系統調用的參數的管理,可以看出,在鴻蒙內核中系統調用的參數最多不能大于6個
R7寄存器保存了系統調用號,R0~R5保存具體每個參數
可變參數的具體實現后續有其余篇幅詳細介紹,敬請關注.
4. svc 0
//切到SVC模式
#define __asm_syscall(...) do { \
__asm__ __volatile__ ( "svc 0" \
: "=r"(x0) : __VA_ARGS__ : "memory", "cc"); \
return x0; \
} while (0)
看不太懂的沒關系,這里我們只需要記住：系統調用號存放在r7寄存器，參數存放在r0,r1,r2寄存器中，返回值最終會存放在寄存器r0中
b reset_vector @開機代碼
b _osExceptUndefInstrHdl @異常處理之CPU碰到不認識的指令
b _osExceptSwiHdl @異常處理之:軟中斷
b _osExceptPrefetchAbortHdl @異常處理之:取指異常
b _osExceptDataAbortHdl @異常處理之:數據異常
b _osExceptAddrAbortHdl @異常處理之:地址異常
b OsIrqHandler @異常處理之:硬中斷
b _osExceptFiqHdl @異常處理之:快中斷
解讀
svc全稱是 SuperVisor Call,完成工作模式的切換.不管之前是7個模式中的哪個模式,統一都切到SVC管理模式.但你也許會好奇，ARM軟中斷不是用SWI嗎，這里怎么變成了SVC了，請看下面一段話，是從ARM官網翻譯的：
SVC
超級用戶調用。
語法
SVC{cond} #immed
其中：
cond
是一個可選的條件代碼（請參閱條件執行）。
immed
是一個表達式，其取值為以下范圍內的一個整數：
在 ARM 指令中為 0 到 224–1（24 位值）
在 16 位 Thumb 指令中為 0-255（8 位值）。
用法
SVC 指令會引發一個異常。 這意味著處理器模式會更改為超級用戶模式，CPSR 會保存到超級用戶模式 SPSR，并且執行會跳轉到 SVC 向量（請參閱《開發指南》中的第 6 章 處理處理器異常）。
處理器會忽略 immed。 但異常處理程序會獲取它，借以確定所請求的服務。
Note
作為 ARM 匯編語言開發成果的一部分，SWI 指令已重命名為 SVC。 在此版本的 RVCT 中，SWI 指令反匯編為 SVC，并提供注釋以指明這是以前的 SWI。
條件標記
此指令不更改標記。
體系結構
此 ARM 指令可用于所有版本的 ARM 體系結構。
而軟中斷對應的處理函數為_osExceptSwiHdl,即PC寄存器將跳到_osExceptSwiHdl執行
5. _osExceptSwiHdl
@ Description: Software interrupt exception handler
_osExceptSwiHdl: @軟中斷異常處理
@保存任務上下文(TaskContext) 開始... 一定要對照TaskContext來理解
SUB SP, SP, #(4 * 16) @先申請16個棧空間用于處理本次軟中斷
STMIA SP, {R0-R12} @TaskContext.R[GEN_REGS_NUM] STMIA從左到右執行,先放R0 .. R12
MRS R3, SPSR @讀取本模式下的SPSR值
MOV R4, LR @保存回跳寄存器LR
AND R1, R3, #CPSR_MASK_MODE @ Interrupted mode 獲取中斷模式
CMP R1, #CPSR_USER_MODE @ User mode 是否為用戶模式
BNE OsKernelSVCHandler @ Branch if not user mode 非用戶模式下跳轉
@ 當為用戶模式時,獲取SP和LR寄出去值
@ we enter from user mode, we need get the values of USER mode r13(sp) and r14(lr).
@ stmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list).
MOV R0, SP @獲取SP值,R0將作為OsArmA32SyscallHandle的參數
STMFD SP!, {R3} @ Save the CPSR 入棧保存CPSR值 => TaskContext.regPSR
ADD R3, SP, #(4 * 17) @ Offset to pc/cpsr storage 跳到PC/CPSR存儲位置
STMFD R3!, {R4} @ Save the CPSR and r15(pc) 保存LR寄存器 => TaskContext.PC
STMFD R3, {R13, R14}^ @ Save user mode r13(sp) and r14(lr) 從右向左 保存 => TaskContext.LR和SP
SUB SP, SP, #4 @ => TaskContext.resved
PUSH_FPU_REGS R1 @保存中斷模式(用戶模式模式)
@保存任務上下文(TaskContext) 結束
MOV FP, #0 @ Init frame pointer
CPSIE I @開中斷,表明在系統調用期間可響應中斷
BLX OsArmA32SyscallHandle /*交給C語言處理系統調用,參數為R0,指向TaskContext的開始位置*/
CPSID I @執行后續指令前必須先關中斷
@恢復任務上下文(TaskContext) 開始
POP_FPU_REGS R1 @彈出FP值給R1
ADD SP, SP,#4 @ 定位到保存舊SPSR值的位置
LDMFD SP!, {R3} @ Fetch the return SPSR 彈出舊SPSR值
MSR SPSR_cxsf, R3 @ Set the return mode SPSR 恢復該模式下的SPSR值
@ we are leaving to user mode, we need to restore the values of USER mode r13(sp) and r14(lr).
@ ldmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list)
LDMFD SP!, {R0-R12} @恢復R0-R12寄存器
LDMFD SP, {R13, R14}^ @ Restore user mode R13/R14 恢復用戶模式的R13/R14寄存器
ADD SP, SP, #(2 * 4) @定位到保存舊PC值的位置
LDMFD SP!, {PC}^ @ Return to user 切回用戶模式運行
@恢復任務上下文(TaskContext) 結束
OsKernelSVCHandler:@主要目的是保存ExcContext中除(R0~R12)的其他寄存器
ADD R0, SP, #(4 * 16) @跳轉到保存PC,LR,SP的位置,此時R0位置剛好是SP的位置
MOV R5, R0 @由R5記錄SP位置,因為R0要暫時充當SP寄存器來使用
STMFD R0!, {R4} @ Store PC => ExcContext.PC
STMFD R0!, {R4} @ 相當于保存了=> ExcContext.LR
STMFD R0!, {R5} @ 相當于保存了=> ExcContext.SP
STMFD SP!, {R3} @ Push task`s CPSR (i.e. exception SPSR). =>ExcContext.regPSR
SUB SP, SP, #(4 * 2) @ user sp and lr => =>ExcContext.USP,ULR
MOV R0, #OS_EXCEPT_SWI @ Set exception ID to OS_EXCEPT_SWI.
@ 設置異常ID為軟中斷
B _osExceptionSwi @ Branch to global exception handler.
@ 跳到全局異常處理
解讀
運行到此處,已經切到SVC的棧運行,所以先保存上一個模式的現場
獲取中斷模式,軟中斷的來源可不一定是用戶模式,完全有可能是SVC本身,比如系統調用中又發生系統調用.就變成了從SVC模式切到SVC的模式
MOV R0, SP;sp將作為參數傳遞給OsArmA32SyscallHandle
調用OsArmA32SyscallHandle這是所有系統調用的統一入口
注意看OsArmA32SyscallHandle的參數UINT32 *regs
6. OsArmA32SyscallHandle
/* The SYSCALL ID is in R7 on entry. Parameters follow in R0..R6 */ /****************************************************************** 由匯編調用,見于 los_hw_exc.s / BLX OsArmA32SyscallHandle SYSCALL是產生系統調用時觸發的信號,R7寄存器存放具體的系統調用ID,也叫系統調用號 regs:參數就是所有寄存器 注意:本函數在用戶態和內核態下都可能被調用到 //MOV R0, SP @獲取SP值,R0將作為OsArmA32SyscallHandle的參數 ******************************************************************/ LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 *OsArmA32SyscallHandle(UINT32 *regs) { UINT32 ret; UINT8 nArgs; UINTPTR handle; UINT32 cmd = regs[REG_R7];//C7寄存器記錄了觸發了具體哪個系統調用 if (cmd >= SYS_CALL_NUM) {//系統調用的總數 PRINT_ERR("Syscall ID: error %d !!!\n", cmd); return regs; } if (cmd == __NR_sigreturn) {//收到 __NR_sigreturn 信號 OsRestorSignalContext(regs);//恢復信號上下文 return regs; } handle = g_syscallHandle[cmd];//拿到系統調用的注冊函數,類似 SysRead nArgs = g_syscallNArgs[cmd / NARG_PER_BYTE]; /* 4bit per nargs */ nArgs = (cmd & 1) ? (nArgs >> NARG_BITS) : (nArgs & NARG_MASK);//獲取參數個數 if ((handle == 0) || (nArgs > ARG_NUM_7)) {//系統調用必須有參數且參數不能大于8個 PRINT_ERR("Unsupport syscall ID: %d nArgs: %d\n", cmd, nArgs); regs[REG_R0] = -ENOSYS; return regs; } //regs[0-6] 記錄系統調用的參數,這也是由R7寄存器保存系統調用號的原因 switch (nArgs) {//參數的個數 case ARG_NUM_0: case ARG_NUM_1: ret = (*(SyscallFun1)handle)(regs[REG_R0]);//執行系統調用,類似 SysUnlink(pathname); break; case ARG_NUM_2://如何是兩個參數的系統調用,這里傳三個參數也沒有問題,因被調用函數不會去取用R2值 case ARG_NUM_3: ret = (*(SyscallFun3)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2]);//類似 SysExecve(fileName, argv, envp); break; case ARG_NUM_4: case ARG_NUM_5: ret = (*(SyscallFun5)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2], regs[REG_R3], regs[REG_R4]); break; default: //7個參數的情況 ret = (*(SyscallFun7)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2], regs[REG_R3], regs[REG_R4], regs[REG_R5], regs[REG_R6]); } regs[REG_R0] = ret;//R0保存系統調用返回值 OsSaveSignalContext(regs);//保存信號上下文現場 /* Return the last value of curent_regs. This supports context switches on return from the exception. * That capability is only used with theSYS_context_switch system call. */ return regs;//返回寄存器的值 }
解讀
參數是regs對應的就是R0~Rn
R7保存的是系統調用號,R0~R3保存的是SysMqOpen的四個參數
g_syscallHandle[cmd]就能查詢到SYSCALL_HAND_DEF(__NR_mq_open, SysMqOpen, mqd_t, ARG_NUM_4)注冊時對應的SysMqOpen函數
*(SyscallFun5)handle此時就是SysMqOpen
注意看 SysMqOpen 的參數是最開始的main函數中的mqdes = mq_open(mqname, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, &attr);由此完成了真正系統調用的過程
7. SysMqOpen
mqd_t SysMqOpen(const char *mqName, int openFlag, mode_t mode, struct mq_attr *attr)
{
mqd_t ret;
int retValue;
char kMqName[PATH_MAX + 1] = { 0 };
retValue = LOS_StrncpyFromUser(kMqName, mqName, PATH_MAX);
if (retValue < 0) {
return retValue;
}
ret = mq_open(kMqName, openFlag, mode, attr);//一個消息隊列可以有多個進程向它讀寫消息
if (ret == -1) {
return (mqd_t)-get_errno();
}
return ret;
}
解讀
此處的mq_open和main函數的mq_open其實是兩個函數體實現.一個是給應用層的調用,一個是內核層使用,只是名字一樣而已.
SysMqOpen是返回到OsArmA32SyscallHandleregs[REG_R0] = ret;
OsArmA32SyscallHandle再返回到_osExceptSwiHdl
_osExceptSwiHdl后面的代碼是用于恢復用戶模式現場和SPSR,PC等寄存器.
編輯：hfy
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