鴻蒙內核源碼分析(系統調用篇) | 圖解系統調用全貌

作者：HarmonyOS技術社區 2021-03-15 15:18:16

系統

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。

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本篇說清楚系統調用

讀本篇之前建議先讀鴻蒙內核源碼分析(總目錄)工作模式篇.

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,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)); 
} 
static inline long __syscall4(long n, long a, long b, long c, long d) 
{ 
    register long a7 __asm__("a7") = n; //系統調用號 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)

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

● 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 
    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}        @保存R0-R12寄存器值 
    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 
    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 
    STMFD   R3, {R13, R14}^                                  @ Save user mode r13(sp) and r14(lr) 保存用戶模式下的SP和LR寄存器 
    SUB     SP, SP, #4 
    PUSH_FPU_REGS R1    @保存中斷模式(用戶模式模式)                                          
    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*/ 
    CPSID   I   @執行后續指令前必須先關中斷 
 
    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

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

LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 *OsArmA32SyscallHandle(UINT32 *regs) 
{ 
    UINT32 ret; 
    UINT8 nArgs; 
    UINTPTR handle; 
    UINT32 cmd = regs[REG_R7];// R7寄存器記錄了系統調用號 
     
    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) {//此時運行在內核棧,程序返回的調用,從內核態返回用戶態時觸發 
        OsRestorSignalContext(regs);//恢復信號上下文,執行完函數后,切到了用戶棧 
        return regs; 
    } 
 
    handle = g_syscallHandle[cmd];//拿到系統調用的注冊函數,即 SYS_mq_open  
    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://@note_thinking 如何是兩個參數的系統調用,這里傳的確是三個參數,任務棧中會出現怎樣的情況呢? 
        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);//保存用戶棧現場 
 
    /* 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 OsArmA32SyscallHandle regs[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.

以上為鴻蒙系統調用的整個過程.

關于寄存器(R0~R15)在每種模式下的使用方式,寄存器篇中已詳細說明,請前往查看.