深入理解系统调用
实验内容：
- 找一个系统调用，系统调用号为学号最后 2位相同的系统调用【即 97号系统调用】
- 通过汇编指令触发该系统调用
- 通过 gdb 跟踪该系统调用的内核处理过程
- 重点阅读分析系统调用入口的保存现场、恢复现场和系统调用返回，以及重点关注系统调用过程中内核堆栈状态的变化
实验环境：
SRE实战 互联网时代守护先锋，助力企业售后服务体系运筹帷幄！一键直达领取阿里云限量特价优惠。VMWare虚拟机下的Ubuntu18.04.4，实验采用的内核版本为linux-5.4.34。
1 环境准备
1.1 内核编译
回退实验一的补丁操作：
cd linux-5.4.34
patch -R -p1 < ../mykernel-2.0_for_linux-5.4.34.patch
make defconfig
修改内核编译配置重新编译：
#打开debug相关选项
Kernel hacking --->
Compile-time checks and compiler options --->
[*] Compile the kernel with debug info
[*] Provide GDB scripts for kernel debugging
[*] Kernel debugging
#关闭KASLR，否则断点失败
Processor type and features --->
[] Randomize the address of the kernel image (KASLR)
make menuconfig
make -j$(nproc)
启动内核，此时内核无法正常运行，提示Kernel panic报错：
qemu-system-x86_64 -kernel arch/x86/boot/bzImage
根据报错提示，可以看出是缺少必要的根文件系统，导致内核无法挂载。
1.2 制作根文件系统
电脑加电启动首先由bootloader加载内核，内核紧接着需要挂载内存根文件系统，其中包含必要的设备驱动和工具。
为了简化实验环境，仅借助 BusyBox 制作极简内存根文件系统，提供基本的用户态可执行程序。
首先从https://www.busybox.net下载 busybox源代码解压，解压完成后，配置编译并安装。
axel -n 20 https://busybox.net/downloads/busybox-1.31.1.tar.bz2
tar -jxvf busybox-1.31.1.tar.bz2
配置编译成静态链接，不用动态链接库。
cd busybox-1.31.1
make menuconfig
编译安装，默认会安装到源码目录下的 _install 目录中。
make -j$(nproc) && make install
制作内存根文件系统镜像：
mkdir rootfs
cd rootfs
cp ../busybox-1.31.1/_install/* ./ -rf
mkdir dev proc sys home
sudo cp -a /dev/{null,console,tty,tty1,tty2,tty3,tty4} dev/
在根文件系统目录下添加init脚本文件（rootfs/init），init内容如下：
#!/bin/sh
mount -t proc none /proc
mount -t sysfs none /sys
echo "Wellcome MengningOS!"
echo "--------------------"
cd home
/bin/sh
给init脚本添加可执行权限：
chmod +x init
打包成内存根文件系统镜像：
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz
测试挂载根文件系统，看内核启动完成后是否执行init脚本：
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz
bootloader成功加载根文件系统到内存中后，内核会将其挂载到根目录下。
然后运行根文件系统中 init 脚本执行一些启动任务，最后才挂载真正的磁盘根文件系统。
2 系统调用
2.1 查找系统调用
在 linux-5.4.34/arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl 文件中找到相应的系统调用：
2.2 触发系统调用
getrlimit用于获得每个进程能够创建的各种系统资源的限制使用量。
在rootfs/home/目录下新建getrlimit_test.c进行测试：
#include <stdio.h>
#include <sys/resource.h>
int main()
{
struct rlimit limit;
int ret = getrlimit(RLIMIT_NOFILE, &limit);
printf("ret = %d,\tcur = %ld,\tmax = %ld\n",
ret, limit.rlim_cur, limit.rlim_max);
return 0;
}
函数执行成功返回0，失败返回1。
其中，RLIMIT_NOFILE表示每个进程能打开的最多文件数。
limit.rlim_cur为当前软件限制，limit.rlim_max为最大硬件限制。
采用静态编译：
gcc -o getrlimit_test getrlimit_test.c -static
代码测试结果如下：
getrlimit测试成功后，通过编写汇编代码来触发系统调用：
#include <stdio.h>
#include <sys/resource.h>
int main()
{
struct rlimit limit;
int ret = -1;
asm volatile(
"movq %2, %%rsi\n\t"
"movl %1, %%edi\n\t"
"movl $0x61, %%eax\n\t"
"syscall\n\t"
"movq %%rax,%0\n\t"
:"=m"(ret)
:"a"(RLIMIT_NOFILE), "b"(&limit)
);
printf("ret = %d,\tcur = %ld,\tmax = %ld\n",
ret, limit.rlim_cur, limit.rlim_max);
return 0;
}
2.3 跟踪系统调用内核处理过程
重新制作根文件系统：
find . -print0 | cpio --null -ov --format=newc | gzip -9 > ../rootfs.cpio.gz
纯命令行启动qemu：
qemu-system-x86_64 -kernel linux-5.4.34/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.cpio.gz -S -s -nographic -append "console=ttyS0"
开启新的terminal进行gdb调试：
cd linux-5.4.34
gdb vmlinux
target remote:1234
c
添加断点测试：
b __x64_sys_getrlimit
2.4 系统调用过程分析
重点阅读分析系统调用入口的保存现场、恢复现场和系统调用返回，重点关注系统调用过程中内核堆栈状态的变化
