Socket与内核调用深度分析

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1 概念

Linux的设计哲学之一就是：对不同的操作赋予不同的执行等级，就是所谓特权的概念，即与系统相关的一些特别关键的操作必须由最高特权的程序来完成。
Intel的X86架构的CPU提供了0到3四个特权级，数字越小，特权越高，Linux操作系统中主要采用了0和3两个特权级，分别对应的就是内核态(Kernel Mode)与用户态(User Mode)。

• 内核态：CPU可以访问内存所有数据,包括外围设备（硬盘、网卡），CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序；
• 用户态：只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用CPU的能力被剥夺，CPU资源可以被其他程序获取；

Linux中任何一个用户进程被创建时都包含2个栈：内核栈，用户栈，并且是进程私有的，从用户态开始运行。内核态和用户态分别对应内核空间与用户空间，内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间，它们都处于虚拟空间中。

2 内核空间相关

• 内核空间：存放的是内核代码和数据，处于虚拟空间；
• 内核态：当进程执行系统调用而进入内核代码中执行时，称进程处于内核态，此时CPU处于特权级最高的0级内核代码中执行，当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈，每个进程都有自己的内核栈；
• CPU堆栈指针寄存器指向：内核栈地址；
• 内核栈：进程处于内核态时使用的栈，存在于内核空间；
• 处于内核态进程的权利：处于内核态的进程，当它占有CPU的时候，可以访问内存所有数据和所有外设，比如硬盘，网卡等等；

3 用户空间相关

• 用户空间：存放的是用户程序的代码和数据，处于虚拟空间；
• 用户态：当进程在执行用户自己的代码（非系统调用之类的函数）时，则称其处于用户态，CPU在特权级最低的3级用户代码中运行，当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态，因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈；
• CPU堆栈指针寄存器指向：用户堆栈地址；
• 用户堆栈：进程处于用户态时使用的堆栈，存在于用户空间；
• 处于用户态进程的权利：处于用户态的进程，当它占有CPU的时候，只可以访问有限的内存，而且不允许访问外设，这里说的有限的内存其实就是用户空间，使用的是用户堆栈；

4 内核态和用户态的切换

（1）系统调用

所有用户程序都是运行在用户态的，但是有时候程序确实需要做一些内核态的事情，例如从硬盘读取数据等。而唯一可以做这些事情的就是操作系统，所以此时程序就需要先操作系统请求以程序的名义来执行这些操作。这时需要一个这样的机制：用户态程序切换到内核态，但是不能控制在内核态中执行的指令。这种机制叫系统调用，在CPU中的实现称之为陷阱指令(Trap Instruction)。

（2）异常事件

当CPU正在执行运行在用户态的程序时，突然发生某些预先不可知的异常事件，这个时候就会触发从当前用户态执行的进程转向内核态执行相关的异常事件，典型的如缺页异常。

（3）外围设备的中断

当外围设备完成用户的请求操作后，会像CPU发出中断信号，此时，CPU就会暂停执行下一条即将要执行的指令，转而去执行中断信号对应的处理程序，如果先前执行的指令是在用户态下，则自然就发生从用户态到内核态的转换。

注意：系统调用的本质其实也是中断，相对于外围设备的硬中断，这种中断称为软中断，这是操作系统为用户特别开放的一种中断，如Linux int 80h中断。所以从触发方式和效果上来看，这三种切换方式是完全一样的，都相当于是执行了一个中断响应的过程。但是从触发的对象来看，系统调用是进程主动请求切换的，而异常和硬中断则是被动的。

总而言之 我们可以用下面这个图来概括他们之间的关系：

5 跟踪分析Linux/Socket系统调用（以listen函数为例）

我们首先以最常用的listen()函数为例进行分析：

进入上次的MenuOS目录，更改makefile，将-S参数去除。（否则将会挂起CPU）

之后在终端编译：

make rootfs

如图所示：

 同上次实验一样，给__sys_linsten打上断点：

gdb
file ./vmlinux
target remote:1234
break __sys_listen

如图所示，我们到socket.c中查看该函数的相关定义：

int __sys_listen(int fd, int backlog)
{
    struct socket *sock;
    int err, fput_needed;
    int somaxconn;

    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    if (sock) {
        somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;
        
        if ((unsigned int)backlog > somaxconn)
            backlog = somaxconn;

        err = security_socket_listen(sock, backlog);

        if (!err)
            err = sock->ops->listen(sock, backlog);

        fput_light(sock->file, fput_needed);
    }
    return err;
}

 可见该函数用套接字队列长度来判断能不能继续监听一个端口。

SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)
{
    return __sys_listen(fd, backlog);
}

由上可见这里将sys_listen定义为了一个内核处理函数。

我们可以在replyhi中尝试对DEFINE2函数打断点，看看它运行了多少次：

可见其在replyhi程序中运行了4次。

6 跟踪分析其他的程序系统调用

在分析系统调用时，我们常用gdb starce来进行分析。

strace常用来跟踪进程执行时的系统调用和所接收的信号，调试应用程序的时候经常使用。 在Linux世界，进程不能直接访问硬件设备，当进程需要访问硬件设备(比如读取磁盘文件，接收网络数据等等)时，必须由用户态模式切换至内核态模式，通 过系统调用访问硬件设备。strace可以跟踪到一个进程产生的系统调用,包括参数，返回值，执行消耗的时间。

strace用法：

-c 统计每一系统调用的所执行的时间,次数和出错的次数等. 
-d 输出strace关于标准错误的调试信息. 
-f 跟踪由fork调用所产生的子进程. 
-ff 如果提供-o filename,则所有进程的跟踪结果输出到相应的filename.pid中,pid是各进程的进程号. 
-F 尝试跟踪vfork调用.在-f时,vfork不被跟踪. 
-h 输出简要的帮助信息. 
-i 输出系统调用的入口指针. 
-q 禁止输出关于脱离的消息. 
-r 打印出相对时间关于,,每一个系统调用. 
-t 在输出中的每一行前加上时间信息. 
-tt 在输出中的每一行前加上时间信息,微秒级. 
-ttt 微秒级输出,以秒了表示时间. 
-T 显示每一调用所耗的时间. 
-v 输出所有的系统调用.一些调用关于环境变量,状态,输入输出等调用由于使用频繁,默认不输出. 
-V 输出strace的版本信息. 
-x 以十六进制形式输出非标准字符串 
-xx 所有字符串以十六进制形式输出. 
-a column 

如果你已经知道你要找什么，你可以让strace只跟踪一些类型的系统调用。例如，你需要看看在configure脚本里面执行的程序，你需要监视的系统调 用就是execve。让strace只记录execve的调用用这个命令：

strace -f -o configure-strace.txt -e execve ./configure

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