本篇说清楚系统调用
读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)工作模式篇.
本篇通过一张图和七段代码详细说明系统调用的整个过程,代码一捅到底,直到汇编层再也捅不下去. 先看图,这里的模式可以理解为空间,因为模式不同运行的栈空间就不一样.
过程解读
● 在应用层main中使用系统调用mq_open(posix标准接口)
● mq_open被封装在库中,这里直接看库里的代码.
● mq_open中调用syscall,将参数传给寄出器 R7,R0~R6
● SVC 0 完成用户模式到内核模式(SVC)的切换
● _osExceptSwiHdl运行在svc模式下.
● PC寄存器直接指向_osExceptSwiHdl处取指令.
● _osExceptSwiHdl是汇编代码,先保存用户模式现场(R0~R12寄存器),并调用OsArmA32SyscallHandle完成系统调用
● OsArmA32SyscallHandle中通过系统调用号(保存在R7寄存器)查询对应的注册函数SYS_mq_open
● SYS_mq_open是本次系统调用的实现函数,完成后return回到OsArmA32SyscallHandle
● OsArmA32SyscallHandle再return回到_osExceptSwiHdl
● _osExceptSwiHdl恢复用户模式现场(R0~R12寄存器)
● 从内核模式(SVC)切回到用户模式,PC寄存器也切回用户现场.
● 由此完成整个系统调用全过程
七段追踪代码,逐个分析
1.应用程序 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 发起系统调用
- 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);
- }
解读
● SYS_mq_open 是真正的系统调用函数,对应一个系统调用号__NR_mq_open,通过宏SYSCALL_HAND_DEF将SysMqOpen注册到g_syscallHandle中.
- static UINTPTR g_syscallHandle[SYS_CALL_NUM] = {0}; //系统调用入口函数注册
- static UINT8 g_syscallNArgs[(SYS_CALL_NUM + 1) / NARG_PER_BYTE] = {0};//保存系统调用对应的参数数量
- #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为注册函数的参数个数,也会一块记录下来.
● 四个参数为 SYS_mq_open的四个参数,将保存在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个参数
- va_end(ap);
- return __syscall_ret(__syscall(n,a,b,c,d,e,f));
- }
- static inline long __syscall4(long n, long a, long b, long c, long d)
- {
- register long a7 __asm__("a7") = n; //系统调用号 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))
- }
解读
● 可变参数实现所有系统调用的参数的管理,可以看出,在鸿蒙内核中系统调用的参数最多不能大于6个
● R7寄存器保存了系统调用号,R0~R5保存具体每个参数
● 可变参数的具体实现后续有其余篇幅详细介绍,敬请关注.
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)
- b reset_vector @开机代码
- b _osExceptUndefInstrHdl @异常处理之CPU碰到不认识的指令
- b _osExceptSwiHdl @异常处理之:软中断
- b _osExceptPrefetchAbortHdl @异常处理之:取指异常
- b _osExceptDataAbortHdl @异常处理之:数据异常
- b _osExceptAddrAbortHdl @异常处理之:地址异常
- b OsIrqHandler @异常处理之:硬中断
- b _osExceptFiqHdl @异常处理之:快中断
解读
● svc 全称是 SuperVisor Call,完成工作模式的切换.不管之前是7个模式中的哪个模式,统一都切到SVC管理模式
● 而软中断对应的处理函数为 _osExceptSwiHdl,即PC寄存器将跳到_osExceptSwiHdl执行
5. _osExceptSwiHdl
- @ Description: Software interrupt exception handler
- _osExceptSwiHdl: @软中断异常处理
- SUB SP, SP, #(4 * 16) @先申请16个栈空间用于处理本次软中断
- STMIA SP, {R0-R12} @保存R0-R12寄存器值
- MRS R3, SPSR @读取本模式下的SPSR值
- MOV R4, LR @保存回跳寄存器LR
- AND R1, R3, #CPSR_MASK_MODE @ Interrupted mode 获取中断模式
- CMP R1, #CPSR_USER_MODE @ User mode 是否为用户模式
- BNE OsKernelSVCHandler @ Branch if not user mode 非用户模式下跳转
- @ 当为用户模式时,获取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 @获取SP值,R0将作为OsArmA32SyscallHandle的参数
- STMFD SP!, {R3} @ Save the CPSR 入栈保存CPSR值
- ADD R3, SP, #(4 * 17) @ Offset to pc/cpsr storage 跳到PC/CPSR存储位置
- STMFD R3!, {R4} @ Save the CPSR and r15(pc) 保存LR寄存器
- STMFD R3, {R13, R14}^ @ Save user mode r13(sp) and r14(lr) 保存用户模式下的SP和LR寄存器
- SUB SP, SP, #4
- PUSH_FPU_REGS R1 @保存中断模式(用户模式模式)
- MOV FP, #0 @ Init frame pointer
- CPSIE I @开中断,表明在系统调用期间可响应中断
- BLX OsArmA32SyscallHandle /*交给C语言处理系统调用*/
- CPSID I @执行后续指令前必须先关中断
- POP_FPU_REGS R1 @弹出FP值给R1
- ADD SP, SP,#4 @ 定位到保存旧SPSR值的位置
- LDMFD SP!, {R3} @ Fetch the return SPSR 弹出旧SPSR值
- MSR SPSR_cxsf, R3 @ Set the return mode SPSR 恢复该模式下的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} @恢复R0-R12寄存器
- LDMFD SP, {R13, R14}^ @ Restore user mode R13/R14 恢复用户模式的R13/R14寄存器
- ADD SP, SP, #(2 * 4) @定位到保存旧PC值的位置
- LDMFD SP!, {PC}^ @ Return to user 切回用户模式运行
解读
● 运行到此处,已经切到SVC的栈运行，所以先保存上一个模式的现场
● 获取中断模式,软中断的来源可不一定是用户模式,完全有可能是SVC本身,比如系统调用中又发生系统调用.就变成了从SVC模式切到SVC的模式
● MOV R0, SP ;sp将作为参数传递给OsArmA32SyscallHandle
● 调用 OsArmA32SyscallHandle 这是所有系统调用的统一入口
● 注意看OsArmA32SyscallHandle的参数 UINT32 *regs
6. OsArmA32SyscallHandle
- LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 *OsArmA32SyscallHandle(UINT32 *regs)
- {
- UINT32 ret;
- UINT8 nArgs;
- UINTPTR handle;
- UINT32 cmd = regs[REG_R7];// R7寄存器记录了系统调用号
- if (cmd >= SYS_CALL_NUM) {//系统调用的总数
- PRINT_ERR("Syscall ID: error %d !!!\n", cmd);
- return regs;
- }
- if (cmd == __NR_sigreturn) {//此时运行在内核栈,程序返回的调用,从内核态返回用户态时触发
- OsRestorSignalContext(regs);//恢复信号上下文,执行完函数后,切到了用户栈
- return regs;
- }
- handle = g_syscallHandle[cmd];//拿到系统调用的注册函数,即 SYS_mq_open
- nArgs = g_syscallNArgs[cmd / NARG_PER_BYTE]; /* 4bit per nargs */
- nArgs = (cmd & 1) ? (nArgs >> NARG_BITS) : (nArgs & NARG_MASK);//获取参数个数
- if ((handle == 0) || (nArgs > ARG_NUM_7)) {//系统调用必须有参数且参数不能大于8个
- PRINT_ERR("Unsupport syscall ID: %d nArgs: %d\n", cmd, nArgs);
- regs[REG_R0] = -ENOSYS;
- return regs;
- }
- //regs[0-6] 记录系统调用的参数,这也是由 R7 寄存器保存系统调用号的原因
- switch (nArgs) {//参数的个数
- case ARG_NUM_0:
- case ARG_NUM_1:
- ret = (*(SyscallFun1)handle)(regs[REG_R0]);//执行系统调用,类似 SysUnlink(pathname);
- break;
- case ARG_NUM_2://@note_thinking 如何是两个参数的系统调用,这里传的确是三个参数,任务栈中会出现怎样的情况呢?
- case ARG_NUM_3:
- ret = (*(SyscallFun3)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2]);//类似 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个参数的情况
- 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保存系统调用返回值
- OsSaveSignalContext(regs);//保存用户栈现场
- /* 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
- }
解读
● 参数是regs对应的就是R0~Rn
● R7保存的是系统调用号,R0~R3保存的是 SysMqOpen的四个参数
● g_syscallHandle[cmd]就能查询到 SYSCALL_HAND_DEF(__NR_mq_open, SysMqOpen, mqd_t, ARG_NUM_4)注册时对应的 SysMqOpen函数
● *(SyscallFun5)handle此时就是SysMqOpen
● 注意看 SysMqOpen 的参数是最开始的 main函数中的 mqdes = mq_open(mqname, O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR, &attr); 由此完成了真正系统调用的过程
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);//一个消息队列可以有多个进程向它读写消息
- if (ret == -1) {
- return (mqd_t)-get_errno();
- }
- return ret;
- }
解读
● 此处的mq_open和main函数的mq_open其实是两个函数体实现.一个是给应用层的调用,一个是内核层使用,只是名字一样而已.
● SysMqOpen是返回到 OsArmA32SyscallHandle regs[REG_R0] = ret;
● OsArmA32SyscallHandle再返回到 _osExceptSwiHdl
● _osExceptSwiHdl后面的代码是用于恢复用户模式现场和SPSR,PC 等寄存器.
以上为鸿蒙系统调用的整个过程.
关于寄存器(R0~R15)在每种模式下的使用方式,寄存器篇中已详细说明,请前往查看.
