[内核赛]系统调用实现

系统调用实现

系统调用的说明以及调用方式

系统调用方式遵循RISC-V ABI,即调用号存放在a7寄存器中,6个参数分别储存在a0-a5寄存器
中,返回值保存在a0中。

主要参考了Linux 5.10 syscalls，详细请参见：https://man7.org/linux/man-pages/man2/syscalls.2.html

如何添加一个系统调用

在user.h文件中添加系统调用封装后的函数声明
在usys.pl文件中添加一个entry
在syscall.h中添加对应的宏
在syscall.c中添加函数的声明，并更新系统调用表
根据功能，选择一个合适的内核模块，进行实现。

文件系统相关

#define SYS_getcwd 17（10.17）

功能：获取当前工作目录；

输入：

char *buf：一块缓存区，用于保存当前工作目录的字符串。当buf设为NULL，由系统来分配缓存区。
size：buf缓存区的大小。

返回值：成功执行，则返回当前工作目录的字符串的指针。失败，则返回NULL。

1 2	`char *buf, size_t size; long ret = syscall(SYS_getcwd, buf, size);`

#define SYS_pipe2 59 (10.29)

功能：创建管道；

输入：

fd[2]：用于保存2个文件描述符。其中，fd[0]为管道的读出端，fd[1]为管道的写入端。

返回值：成功执行，返回0。失败，返回-1。

1 2	`int fd[2]; int ret = syscall(SYS_pipe2, fd, 0);`

#define SYS_dup 23 (10.29)

功能：复制文件描述符；

输入：

fd：被复制的文件描述符。

返回值：成功执行，返回新的文件描述符。失败，返回-1。

1 2	`int fd; int ret = syscall(SYS_dup, fd);`

#define SYS_dup3 24 (10.29)

功能：复制文件描述符，并指定了新的文件描述符；

输入：

old：被复制的文件描述符。
new：新的文件描述符。

返回值：成功执行，返回新的文件描述符。失败，返回-1。

1 2	`int old, int new; int ret = syscall(SYS_dup3, old, new, 0);`

#define SYS_chdir 49 （10.29）

功能：切换工作目录；

输入：

返回值：成功执行，返回0。失败，返回-1。

1 2	`const char *path; int ret = syscall(SYS_chdir, path);`

#define SYS_openat 56 （10.29）

功能：打开或创建一个文件；

输入：

fd：文件所在目录的文件描述符。
filename：要打开或创建的文件名。如为绝对路径，则忽略fd。如为相对路径，且fd是AT_FDCWD，则filename是相对于当前工作目录来说的。如为相对路径，且fd是一个文件描述符，则filename是相对于fd所指向的目录来说的。
flags：必须包含如下访问模式的其中一种：O_RDONLY，O_WRONLY，O_RDWR。还可以包含文件创建标志和文件状态标志。
mode：文件的所有权描述。详见man 7 inode 。

返回值：成功执行，返回新的文件描述符。失败，返回-1。

1 2	`int fd, const char *filename, int flags, mode_t mode; int ret = syscall(SYS_openat, fd, filename, flags, mode);`

#define SYS_close 57 （10.29）

功能：关闭一个文件描述符；

输入：

fd：要关闭的文件描述符。

返回值：成功执行，返回0。失败，返回-1。

1 2	`int fd; int ret = syscall(SYS_close, fd);`

#define SYS_getdents64 61 (12.11)

功能：获取目录的条目;

输入：

buf：一个缓存区，用于保存所读取目录的信息。缓存区的结构如下：

struct dirent {
    uint64 d_ino;	// 索引结点号
    int64 d_off;	// 到下一个dirent的偏移
    unsigned short d_reclen;	// 当前dirent的长度
    unsigned char d_type;	// 文件类型
    char d_name[];	//文件名
};

len：buf的大小。

返回值：成功执行，返回读取的字节数。当到目录结尾，则返回0。失败，则返回-1。

1 2	`int fd, struct dirent *buf, size_t len int ret = syscall(SYS_getdents64, fd, buf, len);`

#define SYS_read 63 （10.29）

功能：从一个文件描述符中读取；

输入：

fd：要读取文件的文件描述符。
buf：一个缓存区，用于存放读取的内容。
count：要读取的字节数。

返回值：成功执行，返回读取的字节数。如为0，表示文件结束。错误，则返回-1。

1 2	`int fd, void *buf, size_t count; ssize_t ret = syscall(SYS_read, fd, buf, count);`

#define SYS_write 64 （10.29）

功能：从一个文件描述符中写入；

输入：

fd：要写入文件的文件描述符。
buf：一个缓存区，用于存放要写入的内容。
count：要写入的字节数。

返回值：成功执行，返回写入的字节数。错误，则返回-1。

1 2	`int fd, const void *buf, size_t count; ssize_t ret = syscall(SYS_write, fd, buf, count);`

#define SYS_linkat 37 (12.13)

功能：创建文件的链接；

输入：

olddirfd：原来的文件所在目录的文件描述符。
oldpath：文件原来的名字。如果oldpath是相对路径，则它是相对于olddirfd目录而言的。如果oldpath是相对路径，且olddirfd的值为AT_FDCWD，则它是相对于当前路径而言的。如果oldpath是绝对路径，则olddirfd被忽略。
newdirfd：新文件名所在的目录。
newpath：文件的新名字。newpath的使用规则同oldpath。
flags：在2.6.18内核之前，应置为0。其它的值详见man 2 linkat。

返回值：成功执行，返回0。失败，返回-1。

1 2	`int olddirfd, char oldpath, int newdirfd, char newpath, unsigned int flags int ret = syscall(SYS_linkat, olddirfd, oldpath, newdirfd, newpath, flags);`

#define SYS_unlinkat 35 (12.13)

功能：移除指定文件的链接(可用于删除文件)；

输入：

dirfd：要删除的链接所在的目录。
path：要删除的链接的名字。如果path是相对路径，则它是相对于dirfd目录而言的。如果path是相对路径，且dirfd的值为AT_FDCWD，则它是相对于当前路径而言的。如果path是绝对路径，则dirfd被忽略。
flags：可设置为0或AT_REMOVEDIR。

返回值：成功执行，返回0。失败，返回-1。

1 2	`int dirfd, char *path, unsigned int flags; syscall(SYS_unlinkat, dirfd, path, flags);`

#define SYS_mkdirat 34 （10.29）

功能：创建目录；

输入：

dirfd：要创建的目录所在的目录的文件描述符。
path：要创建的目录的名称。如果path是相对路径，则它是相对于dirfd目录而言的。如果path是相对路径，且dirfd的值为AT_FDCWD，则它是相对于当前路径而言的。如果path是绝对路径，则dirfd被忽略。
mode：文件的所有权描述。详见man 7 inode 。

返回值：成功执行，返回0。失败，返回-1。

1 2	`int dirfd, const char *path, mode_t mode; int ret = syscall(SYS_mkdirat, dirfd, path, mode);`

#define SYS_umount2 39

功能：卸载文件系统；
输入：指定卸载目录，卸载参数；
返回值：成功返回0，失败返回-1；

1 2	`const char *special, int flags; int ret = syscall(SYS_umount2, special, flags);`

#define SYS_mount 40

功能：挂载文件系统；
输入：
- special: 挂载设备；
- dir: 挂载点；
- fstype: 挂载的文件系统类型；
- flags: 挂载参数；
- data: 传递给文件系统的字符串参数，可为NULL；
返回值：成功返回0，失败返回-1；

1 2	`const char special, const char dir, const char fstype, unsigned long flags, const void data; int ret = syscall(SYS_mount, special, dir, fstype, flags, data);`

#define SYS_fstat 80 (12.13)

功能：获取文件状态；
输入：
- fd: 文件句柄；
- kst: 接收保存文件状态的指针；

struct kstat {
	dev_t st_dev;
	ino_t st_ino;
	mode_t st_mode;
	nlink_t st_nlink;
	uid_t st_uid;
	gid_t st_gid;
	dev_t st_rdev;
	unsigned long __pad;
	off_t st_size;
	blksize_t st_blksize;
	int __pad2;
	blkcnt_t st_blocks;
	long st_atime_sec;
	long st_atime_nsec;
	long st_mtime_sec;
	long st_mtime_nsec;
	long st_ctime_sec;
	long st_ctime_nsec;
	unsigned __unused[2];
};

返回值：成功返回0，失败返回-1；

1
2
3

int fd;
struct kstat kst;
int ret = syscall(SYS_fstat, fd, &kst);

进程管理相关

#define SYS_clone 220 （10.26）

功能：创建一个子进程；
输入：
- flags: 创建的标志，如SIGCHLD；
- stack: 指定新进程的栈，可为0；
- ptid: 父线程ID；
- tls: TLS线程本地存储描述符；
- ctid: 子线程ID；
返回值：成功则返回子进程的线程ID，失败返回-1；

1	`pid_t ret = syscall(SYS_clone, flags, stack, ptid, tls, ctid)`

#define SYS_execve 221 （10.26）

功能：执行一个指定的程序；
输入：
- path: 待执行程序路径名称，
- argv: 程序的参数，
- envp: 环境变量的数组指针
返回值：成功不返回，失败返回-1；

1 2	`const char path, char const argv[], char *const envp[]; int ret = syscall(SYS_execve, path, argv, envp);`

#define SYS_wait4 260（10.26）

功能：等待进程改变状态;
输入：
- pid: 指定进程ID，可为-1等待任何子进程；
- status: 接收状态的指针；
- options: 选项：WNOHANG，WUNTRACED，WCONTINUED；
返回值：成功则返回进程ID；如果指定了WNOHANG，且进程还未改变状态，直接返回0；失败则返回-1；

1 2	`pid_t pid, int *status, int options; pid_t ret = syscall(SYS_wait4, pid, status, options);`

#define SYS_exit 93 （10.26）

功能：触发进程终止，无返回值；
输入：终止状态值；
返回值：无返回值；

1 2	`int ec; syscall(SYS_exit, ec);`

#define SYS_getppid 173 （10.25）

功能：获取父进程ID；
输入：系统调用ID；
返回值：成功返回父进程ID；

1	`pid_t ret = syscall(SYS_getppid);`

#define SYS_getpid 172 （10.25）

功能：获取进程ID；
输入：系统调用ID；
返回值：成功返回进程ID；

1	`pid_t ret = syscall(SYS_getpid);`

内存管理相关

#define SYS_brk 214 （10.26）

功能：修改数据段的大小；
输入：指定待修改的地址；
返回值：成功返回0，失败返回-1;

1 2	`uintptr_t brk; uintptr_t ret = syscall(SYS_brk, brk);`

#define SYS_munmap 215 (12.13)

功能：将文件或设备取消映射到内存中；
输入：映射的指定地址及区间；
返回值：成功返回0，失败返回-1;

1 2	`void *start, size_t len int ret = syscall(SYS_munmap, start, len);`

#define SYS_mmap 222 (12.13)

功能：将文件或设备映射到内存中；
输入：
- start: 映射起始位置，
- len: 长度，
- prot: 映射的内存保护方式，可取：PROT_EXEC, PROT_READ, PROT_WRITE, PROT_NONE
- flags: 映射是否与其他进程共享的标志，
- fd: 文件句柄，
- off: 文件偏移量；
返回值：成功返回已映射区域的指针，失败返回-1;

1 2	`void *start, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t off long ret = syscall(SYS_mmap, start, len, prot, flags, fd, off);`

其他

#define SYS_times 153 (12.10)

功能：获取进程时间；
输入：tms结构体指针，用于获取保存当前进程的运行时间数据；
返回值：成功返回已经过去的滴答数，失败返回-1;

1 2	`struct tms *tms; clock_t ret = syscall(SYS_times, tms);`

#define SYS_uname 160 (12.13)

功能：打印系统信息；
输入：utsname结构体指针用于获得系统信息数据；
返回值：成功返回0，失败返回-1;

1 2	`struct utsname *uts; int ret = syscall(SYS_uname, uts);`

#define SYS_sched_yield 124 （10.25）

功能：让出调度器；
输入：系统调用ID；
返回值：成功返回0，失败返回-1;

1	`int ret = syscall(SYS_sched_yield);`

#define SYS_gettimeofday 169 (12.11)

功能：获取时间；
输入： timespec结构体指针用于获得时间值；
返回值：成功返回0，失败返回-1;

1 2	`struct timespec *ts; int ret = syscall(SYS_gettimeofday, ts, 0);`

#define SYS_nanosleep 101 (12.11)

功能：执行线程睡眠，sleep()库函数基于此系统调用；
输入：睡眠的时间间隔；

struct timespec {
	time_t tv_sec;        /* 秒 */
	long   tv_nsec;       /* 纳秒, 范围在0~999999999 */
};

返回值：成功返回0，失败返回-1;

1 2	`const struct timespec req, struct timespec rem; int ret = syscall(SYS_nanosleep, req, rem);`

调用

static inline _u64 internal_syscall(long n, _u64 _a0, _u64 _a1, _u64 _a2, _u64
		_a3, _u64 _a4, _u64 _a5) {
	register _u64 a0 asm("a0") = _a0;
	register _u64 a1 asm("a1") = _a1;
	register _u64 a2 asm("a2") = _a2;
	register _u64 a3 asm("a3") = _a3;
	register _u64 a4 asm("a4") = _a4;
	register _u64 a5 asm("a5") = _a5;
	register long syscall_id asm("a7") = n;
	asm volatile ("ecall" : "+r"(a0) : "r"(a1), "r"(a2), "r"(a3), "r"(a4), "r"
			(a5), "r"(syscall_id));
	return a0;
}

操作系统

#Xv6

[内核赛]系统调用实现

https://erlsrnby04.github.io/2024/09/28/内核赛-系统调用实现/

作者

ErlsrnBy04

发布于

2024年9月28日

许可协议

[算法]分治策略上一篇

[MIT 6.1810]Xv6 Chapter 5 下一篇