内核必须懂(一): 用系统调用打印Hello, world!

前言

要自定义系统调用, 常规的两个方法是模块和重编内核, 一起来看看吧.

模块与系统调用

用模块打印Hello, world!

首先看下系统版本和内核版本. 我用的是32位的ubuntu12.04.5LTS, 我很不喜欢用这么旧的版本, 但是, 其它版本都出现各种问题, 之后我会给大家展示我掉过的坑, 如果你能帮助我解决, 请评论区, 提前感谢~~

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uname -a

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cat /proc/version

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uname -r

内核版本

我是在mac端用ssh访问Linux的, 这样是有很多好处的, 比如直接复制粘贴, 不需要改键盘映射等等. 先来写一个test.c.

test.c

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#include<linux/kernel.h>
#include<linux/init.h>
#include<linux/module.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int __init hello_init(void)
{
        printk("Hello, world! Written by Sorrowern");
        return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
        printk("Exit, world! Written by Sorrowern");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

然后写Makefile. 注意看, 如果你用的vim, make前面如果是空格不是TAB, vim是会提示你的. 我这里就是TAB, 所以没有提示.

Makefile

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obj-m:=test.o

CURRENT_PATH :=$(shell pwd)
VERSION_NUM :=$(shell uname -r)
LINUX_PATH :=/usr/src/linux-headers-$(VERSION_NUM)

all :
        make -C $(LINUX_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean :
        make -C $(LINUX_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean

输入make指令. 会生成一些文件, 要用的是.ko文件.

make

你可以用lsmod指令看下有什么模块. 然后插入刚才生成的test.ko.

lsmod

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sudo insmod test.ko

然后看下打印了消息没.

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dmesg | grep "sorrower"

dmesg

可以再用lsmod看一下. 然后卸载模块. 用dmesg | grep "Sorrower"查看.

lsmod

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sudo rmmod test

rmmod

用模块添加自定义系统调用

注意, 题目是用系统调用打印Hello, world!, 之前的只是熟悉一下模块的使用, 还不是系统调用打印出来的. 来到/usr/include/i386-linux-gnu/asm, 查看unistd_32.h, 注意这是32位ubutnu12.04.5中的位置, 不代表其他版本其他位数的.

unistd_32.h

看到223了吗, 这很明显就是拿来自定义的.

unistd_32.h

然后来到/boot, 要查看sys_call_table的内存位置, 注意, 要管理员权限.

sys_call_table

然后用vim搜索sys_call_table. 我特意把行号标出来了, 你要是想手动找到, 祝你好运了.

sys_call_table

开始写syscall.c. 这段代码不是我写的, 来自这篇文章, 写得很棒. 然后请原谅我不要脸地在自定义系统调用里面加了自己的Hello, world!(手动滑稽)

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#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <linux/sched.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

#define SYS_CALL_TABLE_ADDRESS 0xc1697140  //sys_call_table对应的地址
#define NUM 223  //系统调用号为223
int orig_cr0;  //用来存储cr0寄存器原来的值
unsigned long *sys_call_table_my=0;

static int(*anything_saved)(void);  //定义一个函数指针，用来保存一个系统调用

static int clear_cr0(void) //使cr0寄存器的第17位设置为0（内核空间可写）
{
    unsigned int cr0=0;
    unsigned int ret;
    asm volatile("movl %%cr0,%�x":"=a"(cr0));//将cr0寄存器的值移动到eax寄存器中，同时输出到cr0变量中
    ret=cr0;
    cr0&=0xfffeffff;//将cr0变量值中的第17位清0,将修改后的值写入cr0寄存器
    asm volatile("movl %�x,%%cr0"::"a"(cr0));//将cr0变量的值作为输入，输入到寄存器eax中，同时移动到寄存器cr0中
    return ret;
}

static void setback_cr0(int val) //使cr0寄存器设置为内核不可写
{
    asm volatile("movl %�x,%%cr0"::"a"(val));
}

asmlinkage long sys_mycall(void) //定义自己的系统调用
{   
    printk("Hello, world! Written by Sorrowern");
    printk("模块系统调用-当前pid：%d，当前comm:%sn",current->pid,current->comm);
    return current->pid;    
}

static int __init call_init(void)
{
    sys_call_table_my=(unsigned long*)(SYS_CALL_TABLE_ADDRESS);
    printk("call_init......n");
    anything_saved=(int(*)(void))(sys_call_table_my[NUM]);//保存系统调用表中的NUM位置上的系统调用
    orig_cr0=clear_cr0();//使内核地址空间可写
    sys_call_table_my[NUM]=(unsigned long) &sys_mycall;//用自己的系统调用替换NUM位置上的系统调用
    setback_cr0(orig_cr0);//使内核地址空间不可写
    return 0;
}

static void __exit call_exit(void)
{
    printk("call_exit......n");
    orig_cr0=clear_cr0();
    sys_call_table_my[NUM]=(unsigned long)anything_saved;//将系统调用恢复
    setback_cr0(orig_cr0);
}

module_init(call_init);
module_exit(call_exit);

MODULE_AUTHOR("25");
MODULE_VERSION("BETA 1.0");
MODULE_DESCRIPTION("a module for replace a syscall");

Makefile文件和之前差不多, 改下生成的.o文件名字就好. 然后要写一个用户态的程序来测试了.
什么是用户态, 来快速解释一下. cpu有用户态和核心态, 系统调用以及中断和异常都会由用户态变成核心态. 上一张进程转换图(或者叫状态机?), 图片来自网络, 我觉得画得一般, 但是我不想再手动画一张了.

进程转换

好了, 不皮了. 来写test.c吧. 简单粗暴, 就一个系统223调用.

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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
        syscall(223);
        return 0;
}

gcc一下, 然后dmesg一下. 这下真的就结束这一部分了.

测试

top指令

中途休息一下, 来说些小技巧和指令. mac下的top指令非常好用. 你输入top, 然后输入?, 就显示全部后续操作了. 比如这里top下输入o, 在输入cpu回车. 就是cpu占有排序.

输入?

输入cpu

cpu消耗排序

关闭Linux图形界面

我没有很讨厌Linux的图形界面, 但是用了ssh之后, 你就发现确实用不到了. 我知道大家都会切换到tty的. mac是fn ctrl option f3(当然了, 根据版本不同, fx有效范围不同, 12.04是f1-f6, f7图形界面, 测测就知道了)

tty

但是还不够彻底, 要让它开机直接字符界面. 关闭/开启. 当然了, 12.04似乎不吃这个指令. 要再高版本一些.

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sudo systemctl set-default multi-user.target
sudo reboot

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sudo systemctl set-default graphical.target
sudo reboot

重编内核添加系统调用

接下来这个就很简单了, 主要难度在找文件位置以及cpu. 这里切换回18.04LTS. cpu不好的, 可能2h 了, 好的cpu编个18.04LTS怎么20min也要吧. cpu核数两位数的麻烦关闭页面, 不在一个频道了(手动滑稽). 那顺带一提, 之前说的彻底关闭图形界面在18.04LTS就生效了.

解压系统源代码

你可以使用指令下载源码, 也可以手动下载. 总之, 下完之后, 解压文件. 看图片, 我就是用指令下载, 然后再解压压缩包, 所以有两个同名目录.

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sudo apt-get install linux-source

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sudo tar -jxvf linux-source-4.15.0.tar.bz2

解压源码

撰写自定义系统调用

关键是三个文件sys.c, syscalls.h, syscall_32.tbl. 都在很要命的地方呢.

sys.c在/usr/src/linux-source-4.15.0/linux-source-4.15.0/kernel下
syscalls.h在/usr/src/linux-source-4.15.0/linux-source-4.15.0/arch/x86/include/asm下
syscall_32.tbl在/usr/src/linux-source-4.15.0/linux-source-4.15.0/arch/x86/entry/syscalls下