Socket与系统调用深度分析

用户态、内核态、中断和系统调用的关系

所谓的中断就是在计算机执行程序的过程中，由于出现了某些特殊事情，使得CPU暂停对程序的执行，转而去执行处理这一事件的程序。等这些特殊事情处理完之后再回去执行之前的程序。中断一般分为三类：

• 由计算机硬件异常或故障引起的中断，称为内部异常中断
• 由程序中执行了引起中断的指令而造成的中断，称为软中断（系统调用就属于软中断）
• 由外部设备请求引起的中断，称为外部中断

进程的执行在系统上有两个级别：用户态和核心态。程序的执行一般是在用户态下执行的，但在此状态下，不能执行特权指令（访问IO设备、访问特殊寄存器、置时钟... ...）。当程序需要使用这些特权指令时，就需要向操作系统发出调用服务的请求，这就是系统调用。 Linux系统有专门的函数库来提供这些请求操作系统服务的入口，这个函数库中包含了操作系统所提供的对外服务的接口。

系统调用也是函数调用，系统函数也是函数代码。系统函数与普通函数唯一的不同在于，系统函数可以使用cpu体系结构指令集中的特权指令，如启动I/O设备指令、修改某些个特殊寄存器的指令，如程序状态寄存器PSW。既然系统调用也是函数调用，那么就要遵守函数调用的基本法。1.传参 2.调用 3.返回。在汇编代码中，在正式call一个函数之前，需要将相关寄存器的值设置好，然后再修改pc寄存器值指向函数。上图中的eax = 2，就是在准备参数，为中断服务程序提供参数。

用户态、内核态、系统调用和中断的关系就在于，当用户态进程发出系统调用申请的时候，会产生一个软中断。产生这个软中断以后，系统会去对这个软中断进行处理，这个时候进程就处于核心态了。

switch (call) {
   case SYS_SOCKET:
       err = __sys_socket(a0, a1, a[2]);
       break;
   case SYS_BIND:
       err = __sys_bind(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
       break;
   case SYS_CONNECT:
       err = __sys_connect(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
       break;
   case SYS_LISTEN:
       err = __sys_listen(a0, a1);
       break;
   case SYS_ACCEPT:
       err = __sys_accept4(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
                   (int __user *)a[2], 0);
       break;
   case SYS_GETSOCKNAME:
       err =
           __sys_getsockname(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
                     (int __user *)a[2]);
       break;
   case SYS_GETPEERNAME:

　　INT 80进入到sys_call这个函数，这个函数实现上是switch，如果在进入sys_call这个函数时，传入102，那么就会跳转到sys_sokcetcall这个函数中去，然后我们在sys_sokcetcall函数中又看到了switch函数。根据你进入到sys_sokcetcall函数所传入的参数，将调用不同的系统函数。

实验过程

1.先进入menuos

2.打开另一个终端，输入以下命令：

gdb
file ~/LinuxKernel/linux-5.0.1/vmlinux
target remote:1234
break sys_socketcall     //设置断点
c                                //查看断点信息

如下图所示：

3.在menuos中输入终端命令：

replyhi
hello

此时已经成功捕捉到了sys_socketcall,对应的内核处理函数为SYSCALL_DEFINE2(socketcall, int, call, unsigned long __user *, args)

如下图所示：

4.根据这些系统调用返回的系统调用号，可以查看这些系统调用实现了哪些功能，我们找到socket.c文件，其源码如下：

SYSCALL_DEFINE2(socketcall, int, call, unsigned long __user *, args)
{
    unsigned long a[AUDITSC_ARGS];
    unsigned long a0, a1;
    int err;
    unsigned int len;

    if (call < 1 || call > SYS_SENDMMSG)
        return -EINVAL;
    call = array_index_nospec(call, SYS_SENDMMSG + 1);

    len = nargs[call];
    if (len > sizeof(a))
        return -EINVAL;

    /* copy_from_user should be SMP safe. */
    if (copy_from_user(a, args, len))
        return -EFAULT;

    err = audit_socketcall(nargs[call] / sizeof(unsigned long), a);
    if (err)
        return err;

    a0 = a[0];
    a1 = a[1];

    switch (call) {
    case SYS_SOCKET:
        err = __sys_socket(a0, a1, a[2]);
        break;
    case SYS_BIND:
        err = __sys_bind(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
        break;
    case SYS_CONNECT:
        err = __sys_connect(a0, (struct sockaddr __user *)a1, a[2]);
        break;
    case SYS_LISTEN:
        err = __sys_listen(a0, a1);
        break;
    case SYS_ACCEPT:
        err = __sys_accept4(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
                    (int __user *)a[2], 0);
        break;
    case SYS_GETSOCKNAME:
        err =
            __sys_getsockname(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
                      (int __user *)a[2]);
        break;
    case SYS_GETPEERNAME:
        err =
            __sys_getpeername(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
                      (int __user *)a[2]);
        break;
    case SYS_SOCKETPAIR:
        err = __sys_socketpair(a0, a1, a[2], (int __user *)a[3]);
        break;
    case SYS_SEND:
        err = __sys_sendto(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],
                   NULL, 0);
        break;
    case SYS_SENDTO:
        err = __sys_sendto(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],
                   (struct sockaddr __user *)a[4], a[5]);
        break;
    case SYS_RECV:
        err = __sys_recvfrom(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],
                     NULL, NULL);
        break;
    case SYS_RECVFROM:
        err = __sys_recvfrom(a0, (void __user *)a1, a[2], a[3],
                     (struct sockaddr __user *)a[4],
                     (int __user *)a[5]);
        break;
    case SYS_SHUTDOWN:
        err = __sys_shutdown(a0, a1);
        break;
    case SYS_SETSOCKOPT:
        err = __sys_setsockopt(a0, a1, a[2], (char __user *)a[3],
                       a[4]);
        break;
    case SYS_GETSOCKOPT:
        err =
            __sys_getsockopt(a0, a1, a[2], (char __user *)a[3],
                     (int __user *)a[4]);
        break;
    case SYS_SENDMSG:
        err = __sys_sendmsg(a0, (struct user_msghdr __user *)a1,
                    a[2], true);
        break;
    case SYS_SENDMMSG:
        err = __sys_sendmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1, a[2],
                     a[3], true);
        break;
    case SYS_RECVMSG:
        err = __sys_recvmsg(a0, (struct user_msghdr __user *)a1,
                    a[2], true);
        break;
    case SYS_RECVMMSG:
        if (IS_ENABLED(CONFIG_64BIT) || !IS_ENABLED(CONFIG_64BIT_TIME))
            err = __sys_recvmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1,
                         a[2], a[3],
                         (struct __kernel_timespec __user *)a[4],
                         NULL);
        else
            err = __sys_recvmmsg(a0, (struct mmsghdr __user *)a1,
                         a[2], a[3], NULL,
                         (struct old_timespec32 __user *)a[4]);
        break;
    case SYS_ACCEPT4:
        err = __sys_accept4(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
                    (int __user *)a[2], a[3]);
        break;
    default:
        err = -EINVAL;
        break;
    }
    return err;
}

#此函数根据不同的call来进入不同的分支，从而调用不同的内核处理函数。
#在replyhi/hello的执行过程中，涉及到了socket的建立、recv、send等，这些不同的系统调用传给SYSCALL_DEFINE2()的参数call是不同的。