鸿蒙系统源代码解析,鸿蒙内核源码分析(系统调用篇) | 图解系统调用全貌

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sysc..

曌延

9315人浏览 · 2021-05-27 20:14:12

曌延 · 2021-05-27 20:14:12 发布

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

intmain(void)

{

charmqname[NAMESIZE], msgrv1[BUFFER], msgrv2[BUFFER];

const char*msgptr1 ="test message1";

const char*msgptr2 ="test message2 with differnet length";

mqd_t mqdes;

intprio1 = 1, prio2 = 2;

struct timespec ts;

struct mq_attr attr;

intunresolved = 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");

returnPTS_PASS;

}

2. mq_open 发起系统调用

mqd_t mq_open(constchar*name,intflags, ...)

{

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);

}

returnsyscall(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.

staticUINTPTR g_syscallHandle[SYS_CALL_NUM] = {0}; //系统调用入口函数注册

staticUINT8 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)

g_syscallHandle[(id)] = (UINTPTR)(fun); \

g_syscallNArgs[(id) / NARG_PER_BYTE] |= ((id) & 1) ? (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));

}

staticinline long __syscall4(long n, long a, long b, long c, long d)

{

__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"); \

returnx0; \

} 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

ANDR1, R3, #CPSR_MASK_MODE @ Interrupted mode 获取中断模式

CMP R1, #CPSR_USER_MODE @ Usermode 是否为用户模式

BNE OsKernelSVCHandler @ Branch if notusermode 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 fromusermode, we need get thevaluesofUSERmode r13(sp)andr14(lr).

@ stmia with^ willreturntheusermode registers (provided that r15isnotinthe 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

ADDR3, SP, #(4 * 17) @ Offsettopc/cpsr storage 跳到PC/CPSR存储位置

STMFD R3!, {R4} @ Save the CPSR andr15(pc) 保存LR寄存器

STMFD R3, {R13, R14}^ @ Save usermode r13(sp)andr14(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

ADDSP, SP,#4 @ 定位到保存旧SPSR值的位置

LDMFD SP!, {R3} @ FetchthereturnSPSR 弹出旧SPSR值

MSR SPSR_cxsf, R3 @ Setthereturnmode SPSR 恢复该模式下的SPSR值

@ we are leaving tousermode, we needtorestore thevaluesofUSERmode r13(sp)andr14(lr).

@ ldmia with^ willreturntheusermode registers (provided that r15isnotinthe register list)

LDMFD SP!, {R0-R12} @恢复R0-R12寄存器

LDMFD SP, {R13, R14}^ @ Restore usermode R13/R14 恢复用户模式的R13/R14寄存器

ADDSP, SP, #(2 * 4) @定位到保存旧PC值的位置

LDMFD SP!, {PC}^ @ Returntouser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);

returnregs;

}

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

returnregs;

}

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;

returnregs;

}

//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

caseARG_NUM_0:

caseARG_NUM_1:

ret = (*(SyscallFun1)handle)(regs[REG_R0]);//执行系统调用,类似 SysUnlink(pathname);

break;

caseARG_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?

caseARG_NUM_3:

ret = (*(SyscallFun3)handle)(regs[REG_R0], regs[REG_R1], regs[REG_R2]);//类似 SysExecve(fileName, argv, envp);

break;

caseARG_NUM_4:

caseARG_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

/* Returnthelastvalueofcurent_regs. This supports context switchesonreturnfromthe exception.

* That capability isonlyusedwiththeSYS_context_switch system call.

returnregs;//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(constchar*mqName,intopenFlag, mode_t mode, struct mq_attr *attr)

{

mqd_t ret;

intretValue;

charkMqName[PATH_MAX + 1] = { 0 };

retValue = LOS_StrncpyFromUser(kMqName, mqName, PATH_MAX);

if (retValue

returnretValue;

}

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();

}

returnret;

}

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.

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