Linux內(nèi)核中增加一個系統(tǒng)調(diào)用

1、選題要求：在 Linux 內(nèi)核中增加一個系統(tǒng)調(diào)用，并編寫對應的 linux 應用程序。 利用該系統(tǒng)調(diào)用能夠遍歷系統(tǒng)當前所有進程的任務描述符， 并按進程父子關系將 這些描述符所對應的進程id ( PID)組織成樹形結構顯示。目錄一. 程序的主要設計思路，實現(xiàn)方式 41.1 添加系統(tǒng)調(diào)用的兩種方法 4.1.1.1 編譯內(nèi)核法 41.1.2 內(nèi)核模塊法 41.2 程序的主要設計思路 5.1.3 環(huán)境 5.二. 程序的模塊劃分，及對每個模塊的說明 52.1 通過內(nèi)核模塊實現(xiàn)添加系統(tǒng)調(diào)用 5.2.1.1 修改系統(tǒng)調(diào)用的模塊 52.1.2 獲取 sys_call_table 的地址 52.1.3 清除內(nèi)存

2、區(qū)域的寫保護 62.2 編寫系統(tǒng)調(diào)用指定自己的系統(tǒng)調(diào)用 7.2.2.1 內(nèi)核的初始化函數(shù) 72.2.2自己的系統(tǒng)調(diào)用服務例程 72.2.3 移除內(nèi)核模塊時，將原有的系統(tǒng)調(diào)用進行還原 92.2.4 模塊注冊相關 92.3 編寫用戶態(tài)的測試程序 9.2.4 編寫 Makefile 文件 1.0.三 . 所遇到的問題及解決的方法 113.1 進程個數(shù)確定 1.13.2 被更改的系統(tǒng)調(diào)用號的選擇 1.13.3 獲取系統(tǒng)調(diào)用表的地址 1.13.4 內(nèi)核和用戶態(tài)數(shù)據(jù)交換 1.1四. 程序運行結果及使用說明 114.1 將編譯出來的內(nèi)核模塊 hello.ko 加載到內(nèi)核中 114.2 通過 dmesg 查看

3、輸出信息是否正確 1.14.3 運行測試程序，輸出樹狀打印結果（部分結果截圖） 124.4 卸載自定義模塊 1.3五 . 附錄 145.1 內(nèi)核模塊程序 hello.c1.45.2 測試程序 hello_test.c 1.7.5.3 Makefile 文件 1.7.程序的主要設計思路，實現(xiàn)方式1.1添加系統(tǒng)調(diào)用的兩種方法1.1.1編譯內(nèi)核法編寫好源碼之后?修改內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用庫函數(shù)usri nclude/asm-ge neric/u nistd.h,在這里面可以使用在SySCall_table 中沒有用到的 223號?添加系統(tǒng)調(diào)用號，讓系統(tǒng)根據(jù)這個號，去找到SySCall_table中的相應表項

4、。在archx86kernelSySCaILtable_32.s文件中添加系統(tǒng)調(diào)用號和調(diào)用函數(shù)的對應關系?接著就是my_syscall的實現(xiàn)了，在這里有兩種方法：第一種方法是在kernel下自己新建一個目錄添加自己的文件，但是要編寫 Makefile ，而且要修改全局的Makefile 。第二種比較簡便的方法是，在kernel/sys.c中添加自己的服務函數(shù)，這樣子不用修改Makefile.以上準備工作做完之后，然后就要進行編譯內(nèi)核了，以下是編譯內(nèi)核的一個過程1. make menuconfig （ 使用圖形化的工具，更新 .config 文件）2. make -j3 bzImage（編譯，-

5、j3指的是同時使用 3個CPU來編譯，bzImage指的是更新grub ,以便重新引導）3. make modules（對模塊進行編譯）4. make modules_i nstall（安裝編譯好的模塊）5. depmod（進行依賴關系的處理）6. reboot（重啟看到自己編譯好的內(nèi)核）1.1.2內(nèi)核模塊法內(nèi)核模塊可以作為獨立程序來編譯的函數(shù)和數(shù)據(jù)類型的集合。之所以提供模塊機制，是因為LinUX本身是一個單內(nèi)核。單內(nèi)核由于所有內(nèi)容都集成在一起，效率很高，但可擴展性和可維護性相對較差，模塊機制可以彌補這一缺陷。LinUX模塊可以通過靜態(tài)或動態(tài)的方法加載到內(nèi)核空間，靜態(tài)加載是指在內(nèi)核啟動過程中加

6、載；動態(tài)加載是指在內(nèi)核運行的過程中隨時加載。一個模塊被加載到內(nèi)核中時，就成為內(nèi)核代碼的一部分。模塊加載入系統(tǒng)時，系統(tǒng)修改內(nèi)核中的符號表，將新加載的模塊提供的資源和符號添加到內(nèi)核符號表中，以便模塊間通信。這種方法是采用系統(tǒng)調(diào)用攔截的一種方式，改變某一個系統(tǒng)調(diào)用號對應的服務程序為我們自己的編寫的程序，從而相當于添加了我們自己的系統(tǒng)調(diào)用。下面的內(nèi)容，會詳述用內(nèi)核模塊法實現(xiàn)目標的過程。1.2程序的主要設計思路二是編寫系統(tǒng)調(diào)用指定自己程序分三部分，一部分是通過內(nèi)核模塊實現(xiàn)添加系統(tǒng)調(diào)用, 的系統(tǒng)調(diào)用，最后是編寫用戶態(tài)的測試程序。1.3環(huán)境Ubu ntu14.04 + 3.13.0 內(nèi)核版本內(nèi)核版本：vir

7、tual nachine:/boot# nae aLiriuX Iinux irtual nachic 3.13.0 24 gcrerlc *46 UbUrItU SMP ThU APr 10 19i0; 14Irr匚 2014 i60e CthIOn 6Sfi CNUZLtnJX二.程序的模塊劃分，及對每個模塊的說明2.1通過內(nèi)核模塊實現(xiàn)添加系統(tǒng)調(diào)用這種方法其實是系統(tǒng)調(diào)用攔截的實現(xiàn)。系統(tǒng)調(diào)用服務程序的地址是放在sys_caILtable中通過系統(tǒng)調(diào)用號定位到具體的系統(tǒng)調(diào)用地址，那么我們通過編寫內(nèi)核模塊來修改SyS_call_table中的系統(tǒng)調(diào)用的地址為我們自己定義的函數(shù)的地址，就可以實現(xiàn)系

8、統(tǒng)調(diào)用的攔截。通過模塊加載時，將系統(tǒng)調(diào)用表里面的那個系統(tǒng)調(diào)用號的那個系統(tǒng)調(diào)用號對應的系統(tǒng)調(diào)用服務例程改為我們自己實現(xiàn)的系統(tǒng)歷程函數(shù)地址。2.1.1修改系統(tǒng)調(diào)用的模塊在 usri ncludei386-li nux-g nu/asm/u nistd_32.h 文件中查看系統(tǒng)調(diào)用序號：rootinux virtual machine:/usr/includc/i.3B6 AiPUX gnu/osn# gcdt UrliEtd 32rh找到結果（部分截圖）tfdefte _NR_fCritl.64 221«defte _NR_getttd 224 defte _NR_readahead 2

9、Z5#defte _NR-SetXattr 226 defte NR_lSetXattr 227可以看到，222號和223號系統(tǒng)調(diào)用是空的，因此選取223作為新的系統(tǒng)調(diào)用號。2.1.2 獲取 SyS_call_table的地址 在/boot/SyStem.map-3.16.0-30-generic查看系統(tǒng)調(diào)用表的內(nèi)存地址:rootnuX-ViLrtUal-FIeChie: / boot# gedtt SyStenknaP-3.13.-24-generic找到結果：cl6Sel40 R SyS_c5ll_table為 0xc165e1402.1.3清除內(nèi)存區(qū)域的寫保護得到了 sys_caILta

10、bIe的地址，該符號對應的內(nèi)存區(qū)域是只讀的。所以我們要修改它，必須對它進行清除寫保護，這里介紹兩種方法：第一種方法：我們知道控制寄存器 Cro的第16位是寫保護位。Cro的第16位置為了禁止超 級權限，若清零了則允許超級權限往內(nèi)核中寫入數(shù)據(jù)，這樣我們可以再寫入之前，將那一位清零，使我們可以寫入。然后寫完后，又將那一位復原就行了。/使cr0寄存器的第17位設置為0 (即是內(nèi)核空間可寫)Un Sig ned int clear_a nd_retur n_cr0(Void)Un Sig ned int cr0 = 0;Un Sig ned int ret;asm("movl %cr0, %

11、eax":"=a"(cr0);/將cr0寄存器的值移動到 eax寄存器中，同時輸出到cr0變量中ret = cr0;cr0 &= OXfffeffff;/將 cr0 變量的第 17 位清 0asm("movl %eax, %cr0":"a"(cr0);/將cr0變量的值放入寄存器 eax中，并且放入cr0寄存器中return ret;/讀取val的值到eax寄存器，再將eax寄存器的值放入 cr0寄存器中-改變內(nèi)核地址空間參數(shù)void SetbaCk_cr0 (Un Sig ned int val)asm volat

12、ile("movl %eax, %cr0":"a"(val);第二種方法：通過設置虛擬地址對應的也表項的讀寫屬性來設置。int make_rw (Un Sig ned Iong address)Un Sig ned int level;Pte_t *pte = lookup_address(address, & level);/查找虛擬地址所在的頁表地址if (pte->pte & _PAGE_RW)/設置頁表讀寫屬性pte->pte I=_PAGE_RW;return 0;int make_r O(Un Sig ned Io

13、ng address)Un Sig ned int level;Pte_t *pte = IookUP_address(address, &level);pte->pte &= _PAGE_RW; Zz 設置只讀屬性return 0;2.2編寫系統(tǒng)調(diào)用指定自己的系統(tǒng)調(diào)用2.2.1內(nèi)核的初始化函數(shù)此函數(shù)內(nèi)采用的是2.1.3中的第一種方法。StatiC int _in it ini t_addsyscall(void)Prin tk("hello, yinyu kern eln");ZZ獲取系統(tǒng)調(diào)用服務首地址SyS_call_table = (Un Sig

14、 ned Iong *)sys_caILtabIe_address;Prin tk("%xn",sys_call_table);ZZ保存系統(tǒng)調(diào)用表中的NUM位置上的系統(tǒng)調(diào)用anythin g_SaVed = (in t(*)(void) (SyS_call_tablemy_SySCall_ nu m);ZZ使內(nèi)核地址空間可寫orig_cr0 = clear_a nd_retur n_crO();ZZ用自己的系統(tǒng)調(diào)用替換NUM位置上的系統(tǒng)調(diào)用SyS_call_tablemy_SySCall_ num= (Un Sig ned Iong)& SyS_mycall;ZZ使

15、內(nèi)核地址空間不可寫SetbaCk_cr0(orig_cr0);return 0;2.2.2自己的系統(tǒng)調(diào)用服務例程部分一：創(chuàng)建進程樹void PrOCeSStree(StrUCt task_StrUCt * p,i nt b);結果需要以樹狀形式展示所有進程的父子關系。為此，我們定義PrOCeSStree()歸函數(shù)來訪問遍歷，并且將結果存儲在數(shù)組中，以便提供給用戶態(tài)訪問。void PrOCeSStree(StrUCt task_StrUCt * p,i nt b)ZZ創(chuàng)建進程樹(進程，深度)StrUCt list_head * I;aco Un ter.pid = P -> pid;aco

16、 Un ter.depth = b;CoUn ter +;for(l = P -> ChiIdre n.n ext; I != & (p->childre n); I = l->n ext)StrUCt task_StrUCt *t = list_e ntry(l,struct task_StrUCt,sibli ng); PrOCeSStree(t,b+1);其中，特別使用了宏：#defi ne list_e ntry(ptr, type, member) / (type*)(Char*)(ptr)-( Un Sig nedIong)(&(type *)0)

17、->member)Ptr是指向list_head類型鏈表的指針；type為一個結構；member為結構type中的一個域，類型為 list_head ；這個宏返回指向type結構的指針。目的：從一個結構的成員指針找到其容器的指針部分二：創(chuàng)建自己的系統(tǒng)調(diào)用服務asmli nkage Iong SyS_mycall(char _USer * buf);在SyS_mycall()中，從當前進程開始，遞歸調(diào)用 PrOCeSStree()函數(shù)，將進程信息存儲在數(shù) 組中。然后利用copy_to_USer函數(shù)將內(nèi)核信息傳遞給用戶態(tài)下，用戶態(tài)下的測試程序對結果進行展示。asmli nkage Iong

18、SyS_mycall(char _USer * buf)int b = 0;StrUCt task_StrUCt * p;Prin tk("This is yinyU _SySCall!n");for(p = CUrre nt; P != &ini t_task; P = p->pare nt ); PrOCeSStree(P,b);if(copy_to_USer(StrUCt PrOCeSS *)bUf,a,512*sizeof(strUCt PrOCeSS)retUrn -EFAULT;elseretUr n SiZeOf(a);223移除內(nèi)核模塊時，將原

19、有的系統(tǒng)調(diào)用進行還原StatiC Void _exit exit_addsyscall(Void)/設置Cro中對SyS_call_table 的更改權限。orig_cr0 = clear_a nd_retur n_cr0();/恢復原有的中斷向量表中的函數(shù)指針的值。SyS_call_tablemy_SySCall_num= (UnSigned Iong)anything_saved;恢復原有的cr0的值SetbaCk_cr0(orig_cr0);Prin tk("call yinyu exit n");2.2.4模塊注冊相關模塊構造函數(shù)module_ in it(i ni

20、 t_addsyscall);執(zhí)行insmod或modprobe指令加載內(nèi)核模塊時會調(diào)用的初始化函數(shù)。函數(shù)原型必須是module_init(),內(nèi)是函數(shù)指針。模塊析構函數(shù)module_exit(exit_addsyscall);執(zhí)行rmmod指令卸載模塊時調(diào)用的函數(shù)。函數(shù)原型是module_exit();模塊許可聲明MODULE_LICENSE("GPL");函數(shù)原型是MoDULE_LICENSE()，告訴內(nèi)核程序使用的許可證，不然在加載時它會提示該模塊污染內(nèi)核。一般會寫GPL。2.3編寫用戶態(tài)的測試程序#in clude <li nux/uni std.h>#

21、in clude VSySCaIl.h>asmli nkage#in clude <systypes.h>#i nclude <stdio.h>StrUCt PrOCeSSint pid;int depth;StrUCt ProCeSS a512;int mai n()int i,j;SyS_mycall()中。通/在內(nèi)核中將223本來對應的系統(tǒng)調(diào)用，臨時鏈到我們自定義的 過該系統(tǒng)調(diào)用后獲得數(shù)組aPrin tf("the result is:%dn",syscall(223, &a);for(i = 0; i < 512; i+)

22、for(j = 0; j V ai.depth; j+)Prin tf("-");Prin tf("%dn",ai.pid); if(ai+1.pid = 0)break;return 0;2.4編寫Makefile文件KVERS = $(shell Un ame -r)# Kernel modulesobj-m += hello.o# SPeCify flags for the module compilati on.#EXTRA_CFLAGS=-g -OObuild: kern el_modules USer_testkern el_modules:

23、make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) modulesUSer_test:gcc -o hello_test hello_test.cclea n:make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) clea n三所遇到的問題及解決的方法3.1進程個數(shù)確定系統(tǒng)可運行的最大進程數(shù)，通過Ulimit - U查看有7863個rootlinux-Vtrtual-Piachtne:usricludei386-Iinux-guasnff IJIiFIit u 7863我們通過PS - efwc - l命令實

24、際查看當前運行進程數(shù)量為191個rootliu-Virtualnachtne:usrtcude 1386*Iinux-guas PS *efc -I 191存儲進程信息的數(shù)組大小為512是夠用的。3.2被更改的系統(tǒng)調(diào)用號的選擇見 2.1.1。3.3獲取系統(tǒng)調(diào)用表的地址見 2.1.2。3.4內(nèi)核和用戶態(tài)數(shù)據(jù)交換我們在內(nèi)核模塊程序中，將進程遍歷信息存儲在數(shù)組中，然后需要將其傳遞給用戶態(tài)下。采用copy_from_user()和copy_to_user()這兩個函數(shù)，這兩個函數(shù)負責在用戶空間和內(nèi)核空間傳遞數(shù)據(jù)。因此我們在測試程序中，將空數(shù)組a的地址作為參數(shù)傳遞給內(nèi)核模塊程序，在內(nèi)核中使用copy_t

25、o_user()函數(shù)將內(nèi)核中的數(shù)組信息傳遞給用戶態(tài)下的地址。四.程序運行結果及使用說明4.1將編譯出來的內(nèi)核模塊hello.ko加載到內(nèi)核中加載內(nèi)核模塊命令:in smodhello.koroot®ItnUX-VtrtUal-machine:h!elluxUixl.tJ3,i-2 Insmod hell.o + ko roctlinux - VirtUaX rIJaChine; o,eltuxUniX/1LnUX li 2fl ISrlOd headModuleSLZeUsed Ihello16743SndcrlSI3712A5A72bnd_d<.97_cadetID57091

26、Snd-tfS1371ac97-bs126421snd.ac97_COdeCgaeport151S91sdes1371sndc3 5501nddt_97 codec J J e13715nd_Page_alloc142331snd,pen12967Ut1«P1&S9524.2通過dmesg查看輸出信息是否正確rootltux-vtrtual-nachte:h01e/Linux/UriiX/linux_ll_2# dmesg tail1974.23S391 task: e6O676 ti: e6256 task.ti： e6250GOL8O74.23352548074÷

27、;Z389Z;1H74.7S96;“B的 4 23999rlfi74.23903'1874,2399' ；2fl303.625174 2<3309.55936EIP; 0073;<b752d886> EFLGS; ODOIOZe6 CPU; O EIP Is t b7>2d836FAX： bfb4ef77 -BX： b76Sd0f)f) E£I： b63646S EDI: bfb4cf77FCX ： OaOOf)fi FrJX :EBP： O&OQ0O1-4 ESPi63mb6c6aldcOO7b ES;07b FS； COoeGS：

28、0033 SSI 007bCall yinyu pit hcllo>yi.nyu kernel20309.955930 Cl5el4O4.3運行測試程序，輸出樹狀打印結果（部分結果截圖）root®ILnUX-Vrtual-nachme:/home/nuxLJntX/lInUX_Ii_2# helo-testth* result is:405& lI-II -324I-II 323I-II -463ITI 469I-II -499I-I -509I-513I-I -563I-II 十578卜I 616I-II -b02I-II 769I-I -854I-I -028blI

29、 -933I-99MI -941I-I M4LdI -yaHbbl-I-234Hl-hblI -2322I-I-PldI -2340m-I *2334-I-I-I-II -2355I-I-I-I-I -237&HlJ'blI -2461IlI十!* -2468I-I-I-I-I! - I -2469-I-I-I-I- -2930-*l-PlH 十 I-；931Hl-I-I-II - I -3237I-I-I-I-I - -1-3555I-I-I-1<I-I-HMI 479I-I-I-I-卜卜卜I-II-4680I-I-I-I-Ikl-kl-lI F I -6334I-Id

30、-MI -2990'I-I-I-II -31CI - I-1018I-I-W61I-I-112I-1116I - I-12534.4卸載自定義模塊卸載內(nèi)核模塊命令：in Smodhello.koI root linux-v Irtual-achlfetjhoellif Urititj/Ltu,Lt2tf FpIOd hellorootgli-i<j- virtualmachtre: hoe Yiux UnLxltux-lt2ffIsnodI hedMOdUleStZeLlSed bysd-es1371?4S472sndc97COdeC1057D91Snd_CnSl371ac57_

31、bu&L26421Snd_ac97_CodeCgameport151891Snd_ensl371sdp 5SSS012Sndac97cdec,SndenS1371SndPdgeaIVoc1423015ftd_PCIrlCC32-PCTFlJI12967QIbneP188952rcomn536640五附錄5.1內(nèi)核模塊程序hello.c#in elude <li nux/in it.h>#i nclude <li nu xmodule.h>#i nclude <li nu x/kernel.h>/list_head#in elude <li nu

32、x/uni std.h>#in elude <asm/UaCCeSs.h>#in elude <li nu x/sched.h>/task_StrUCt#defi ne my_SySCall_ num 223#defi ne SyS_call_table_address 0xc165e140StatiC int coun ter = 0;StrUCt PrOCeSSint pid;int depth;；StrUCt PrOCeSS a512;Un Sig ned int clear_a nd_retur n_crO(Void);void SetbaCk_cr0 (

33、Un Sig ned int val);asmli nkage Iong SyS_mycall(char _USer *buf);int orig_cr0;Un Sig ned Iong *sys_call_table = 0;StatiC in t (*a nythin g_SaVed)(Void);創(chuàng)建進程樹（進程，深度）void PrOCeSStree(StrUCt task_StrUCt * p,i nt b)/ StrUCt list_head * l;aco Un ter.pid = P -> pid;aco Un ter.depth = b;CoUn ter +;for(l

34、 = P -> ChiIdre n.n ext; l != & (p->childre n); l = l->n ext)StrUCt task_StrUCt *t = list_e ntry(l,struct task_StrUCt,sibli ng);PrOCeSStree(t,b+1);UnSigned int clear_and_return_crO(Void)/使 cr0 寄存器的第 17 位設置為 O (即是內(nèi)核空間可寫)Un Sig ned int cr0 = 0;Un Sig ned int ret;asm("movl %cr0, %eax&

35、quot;:"=a"(cr0);/將cr0寄存器的值移動到 eax寄存器中，同時輸出到cr0變量中ret = cr0;cr0 &= OXfffeffff;/將 cr0 變量的第 17 位清 0asm("movl %eax, %cr0":"a"(cr0);/將cr0變量的值放入寄存器eax中，并且放入cr0寄存器中return ret;void SetbaCk_cr0(unsigned int val)/讀取val的值到eax寄存器，再將 eax寄存器的值放入cr0寄存器中-改變內(nèi)核地址空間參數(shù)asm volatile(&quo

36、t;movl %eax, %cr0":"a"(val);StatiC int _in it ini t_addsyscall(Void)/保存原來系統(tǒng)調(diào)用表中此地址中的系統(tǒng)調(diào)用Prin tk("hello, yinyu kern eln");SyS_call_table= (Un Sig nedIong *)sys_caILtable_address;獲取系統(tǒng)調(diào)用服務首地址Prin tk("%xn",sys_call_table);any thi ng_saved = (in t(*)(void) (SyS_call_tab

37、lemy_SySCall_ num);/保存系統(tǒng)調(diào)用表中的NUM位置上的系統(tǒng)調(diào)用orig_cr0 = clear_a nd_retur n_cr0();使內(nèi)核地址空間可寫sys_caILtablemy_syscall_ num= (Un Sig ned Iong)& sys_mycall;用自己的系統(tǒng)調(diào)用替換NUM位置上的系統(tǒng)調(diào)用SetbaCk_crO(orig_crO);使內(nèi)核地址空間不可寫return 0;asmli nkage Iong SyS_mycall(char _USer * buf)int b = 0;StrUCt task_StrUCt * p;Prin tk(&qu

38、ot;This is yinyu _SySCall!n");for(p = CUrre nt; P != &ini t_task; P = p->pare nt );PrOCeSStree(P,b);if(copy_to_USer(StrUCt PrOCeSS *)buf,a,512*sizeof(struct process)/將內(nèi)核空間內(nèi)容復制到用戶空間return -EFAULT;elseretur n SiZeOf(a);StatiC void _exit exit_addsyscall(void)/設置cr0中對SyS_call_table 的更改權限。orig_cr0 = clear_a nd_retur n_crO