Weizhenwei’s Technical Blog

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Linux 系统调用实现-以read为例

  Linux系统调用是连接用户态和内核态的纽带，弄清楚这个过程对于理解Linux操作系统具有十分重要的意义。下面以read系统调用为例分析这一过程。本文中Linux内核代码版本为3.16，glibc版本为2.20。

1. sys_read系统调用的定义(在内核文件fs/read_write.c中):

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SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
{
    struct fd f = fdget_pos(fd);
    ssize_t ret = -EBADF;

    if (f.file) {
        loff_t pos = file_pos_read(f.file);
        ret = vfs_read(f.file, buf, count, &pos);
        if (ret >= 0)
            file_pos_write(f.file, pos);
        fdput_pos(f);
    }
    return ret;
}

  sys_read的实现代码比较简单：首先根据文件描述符fd通过fdget_pos(fd)从当前进程结构中得到fd对应的struct fd结构（这个fd结构是struct file结构的进一步封装）；然后调用file_pos_read(f.file)得到当前文件读位置；最后调用vsf_read()进行文件读取操作；如果读取成功，则调用file_pos_write函数更新文件的读当前位置；最后调用fdput_pos函数更新文件的引用计数；最终sys_read返回读取的字节数。
  sys_read系统调用实现的核心是vfs_read函数，这涉及到Linux的VFS虚拟文件系统机制，这是另外一个主题，在此就不深入展开了。

2. SYSCALL_DEFINEx宏的定义

  SYSCALL_DEFINEx宏是理解Linux内核系统调用定义的关键，该宏在include/linux/syscalls.h中定义：

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#define SYSCALL_DEFINE1(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, __VA_ARGS__)  
#define SYSCALL_DEFINE2(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, __VA_ARGS__)  
#define SYSCALL_DEFINE3(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)  
#define SYSCALL_DEFINE4(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, __VA_ARGS__)  
#define SYSCALL_DEFINE5(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, __VA_ARGS__)  
#define SYSCALL_DEFINE6(name, ...) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, __VA_ARGS__)  

#define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)          \  
SYSCALL_METADATA(sname, x, __VA_ARGS__)         \
__SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)

#define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...)                     \  
asmlinkage long sys##name(__MAP(x,__SC_DECL,__VA_ARGS__))   \
    __attribute__((alias(__stringify(SyS##name))));         \

  其中SYSCALL_METADATA是和CONFIG_FTRACE_SYSCALLS相关的一个宏定义；关键字asmlinkage告诉编译器函数的参数从栈上获得，所有系统调用都采取这种参数传递方式；##用在宏中表示字符串链接。__stringify表示字符串化，也即:

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#define __stringify_1(x...) #x  
#define __stringify(x...)   __stringify_1(x)