鸿蒙内核源码分析(系统调用篇) | 一撸到底,全面解剖系统调用实现过程 | 中文注解HarmonyOS源码 | v37.02
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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~R6SVC 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_openSYS_mq_open是本次系统调用的实现函数,完成后return回到OsArmA32SyscallHandleOsArmA32SyscallHandle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,后续将保存在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];//C7寄存器记录了触发了具体哪个系统调用
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,类似 SysRead
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OsArmA32SyscallHandleregs[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,后续将由其他篇详细说明,敬请关注.
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