实验介绍

上篇文章已经介绍了Linux内核的编译与安装，我们已经掌握了Linux系统内核的编译和启用。接下来，我们将学习掌握如何添加Linux的系统调用，学习掌握测试Linux系统调用。

什么是系统调用（system call)

由操作系统提供的供所有系统调用的程序接口集合;用户程序通常只在用户态下运行，当用户程序想要调用只能在内核态运行的子程序时，所以操作系统需要提供访问这些内核态运行的程序的接口，这些接口的集合就叫做系统调用。简要的说，系统调用是内核向用户进程提供服务的唯一方法。应用程序有时会需要一些危险的、权限很高的指令，如果把这些权限放心地交给用户程序是很危险的(比如一个进程可能修改另一个进程的内存区，导致其不能运行)，但是又不能完全不给这些权限。于是有了系统调用，危险的指令被包装成系统调用，用户程序只能调用而无权自己运行那些危险的指令。另外，计算机硬件的资源是有限的，为了更好的管理这些资源，所有的资源都由操作系统控制，进程只能向操作系统请求这些资源。操作系统是这些资源的唯一入口，这个入口就是系统调用。

实验准备

华为云服务器，OpenEuler操作系统，Xshell远程登录软件（可选）

在做此实验时需要多次编译内核，如果使用VMware本地虚拟机来进行实验，8个线程编译内核耗时过多，所以使用华为云服务器，购买32线程的云服务器编译内核1分钟就搞定，这样会节省很多时间，而且不用担心编译内核时出现bug导致本地虚拟机死机。

本次实验全程在华为云服务器下进行

掌握Linux内核的编译与安装请参考https://blog.csdn.net/weixin_53621503/article/details/123832515?spm=1001.2014.3001.5501

开始实验

1.2——掌握Linux系统调用基本概念

添加一个新的系统调用，通过内核打印调试语句printk打印自己的学号

1.将系统调用的函数加入到syscalls数组中

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/uapi/asm-generic/  /*进入操作目录*/

vim unistd.h  /*编辑该文件*/

在该文件中输入

#define __NR_hyb 294
__SYSCALL(__NR_hyb, sys_hyb)

 如上图所示（注意坑点1：在编辑该文件时，找到文件最后一行为294，在其上加入系统调用函数，然后将最后的294改为295。后续实验添加调用函数后将295改为296以此类推。）

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

2.在头文件中声明系统调用函数

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/linux/  /*进入头文件目录*/

vim syscalls.h  /*编辑该文件*/

在该文件中输入

asmlinkage long sys_hyb(void);

如上图所示（注意坑点2： 在编辑该文件时，不要将声明的函数加在 if 语句中，即将该声明放在#endif下面）

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

3.添加函数体

输入

cd kernel-kernel-4.19/kernel/  /*进入目录*/

vim sys.c /*在该文件中添加需要的函数体*/

 在文件中添加如上图所示的内容（这里的坑点与坑点2相同）

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

4.编译、安装内核

输入

make -j 32  /*32为线程数，虚拟机为多少这里就写多少*/

make modules_install

make install

reboot

此操作时间取决于线程数量，越多耗时越短（注意坑点3：类似的操作都需要在kernel-kernel-4.19目录下进行）

5.编写测试代码

参考课本

输入

vim hyb.c  /*新建一个名为hyb.c的C语言文件*/

 输入如上图所示的内容

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

6.编译生成hyb_0文件

输入

gcc hyb.c -o hyb_0

如图所示，生成了一个名为hyb_0的文件

输入

./hyb_0  /*查看编译运行结果*/

 如图所示即为1.2实验结果

1.3——设计和添加系统调用

经过1.2的步骤，对于1.3来说，大致的过程与1.2不尽相同（三步走：写调用函数——编译安装内核——编写测试代码）

题目一（必做）：修改或返回指定进程的优先级（nice值和prio值）

提示：可能参考的内核函数：set_user_nice()

1.将系统调用的函数加入到syscalls数组中

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/uapi/asm-generic/  /*进入操作目录*/

vim unistd.h  /*编辑该文件*/

在该文件中输入

#define __NR_hybsetnice 295
__SYSCALL(__NR_hybsetnice, sys_hybsetnice)

 如图所示，同理，根据上文介绍将末尾的数字295改为296

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

2.在头文件中声明系统调用函数

输入

cd kernel-kernel-4.19/include/linux/  /*进入头文件目录*/

vim syscalls.h  /*编辑该文件*/

在该文件中输入

 （这里的坑点与坑点2相同）

3.添加函数体

输入

cd kernel-kernel-4.19/kernel/  /*进入目录*/

vim sys.c /*在该文件中添加需要的函数体*/

在该文件中添加函数体，注意格式正确（坑点与坑点2相同） 

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

4.编译、安装内核

输入

make -j 32  /*32为线程数，虚拟机为多少这里就写多少*/

make modules_install

make install

reboot

5.编写测试代码

输入

vim hyb_1.c  /*生成一个C语言文件并且编辑*/

 Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

 6.编译生成hyb_1文件

输入

gcc hyb_1.c -o hyb_1

 我们可以看到已经生成了hyb_1编译后的文件

如图所示即为运行后的实验结果 

题目一小结：

在实验中，需要用到 Linux top命令行操作，什么是top?

top 命令可以动态地持续监听进程地运行状态，与此同时，该命令还提供了一个交互界面，用户可以根据需要，人性化地定制自己的输出，进而更清楚地了进程的运行状态。

 在上图中看到有PID  USER  PR  NI  VIRT  RES  SHR  S  %CPU  %MEM  TIME+ COMMAND值，这里着重注意PR值和NI值。（PR值——优先级；NI值——nice值，有＋有－，负值表示高优先级，正值表示低优先级）也就是题目中的nice prio值。

那么，什么是nice值和prio值？

通俗来说，nice值越低，证明这个进程越不nice（这个进程很霸道）抢占CPU的能力就越强，所以，值越低，进程的优先级越高。prio值即为priority值，为top命令中看到的PR值，优先级。

 选做题目二

 （牢记三步走战术）

cd kernel-kernel-4.19/include/uapi/asm-generic/  /*进入操作目录*/

vim unistd.h  /*编辑该文件*/

 同理，将下方的数字296改为297。

 Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

2.在头文件中声明系统调用函数

cd kernel-kernel-4.19/include/linux/  /*进入头文件目录*/

vim syscalls.h  /*编辑该文件*/

在文件中输入

 （这里的坑点与坑点2相同）

3.添加函数体

输入

cd kernel-kernel-4.19/kernel/  /*进入目录*/

vim sys.c /*在该文件中添加需要的函数体*/

在该文件中添加函数体，注意格式正确（坑点与坑点2相同） 

Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

4.编译、安装内核

输入

make -j 32  /*32为线程数，虚拟机为多少这里就写多少*/

make modules_install

make install

reboot

5.编写测试代码

输入

vim hyb_2.c

 Esc退出编辑模式，:wq保存并退出，cd /root返回桌面

 6.编译生成hyb_2文件

输入

gcc hyb_2.c -o hyb_2

 我们可以看到生成了名为hyb_2的文件，运行

在输入PID时，可以参考前面提到过的top命令，输入一个存在的PID，以防报错。

 我们可以看到已经返回了6个想要的数据，而且ret=0为正确（ret=-1为错误）。

题目二小结：

题目要求输出6个需要的返回值，在参考资料后，我们发现这个内核函数中还有许许多多其他的返回参数，要学会举一反三。

至此，实验1.3已全部完成，与上一篇博客一起，就是操作系统实验课的实验一。

写在最后：

本次实验是一个很耗时的实验，但是理解掌握了实验的“三步走”方法（声明——加入——编写），这个实验也会迎刃而解。查阅了非常多的资料，网络上的博客也是良莠不齐，晦涩难懂，需要多多参透课本的内容。内核编译需要非常强大的CPU，购买32核64G内存的服务器可以在make modules_install时节省大量的时间（用完记得关！！！）

历经了很多次把内核编译崩溃的情况后，一定要冷静，仔细观察书写的代码有没有漏洞。有时候，往往那简单的一个" "、; 错误就会导致内核的编译失败（浪费了那么多时间还失败了真的很抓狂）。这就告诉我们，书写代码一定要规范仔细不可马虎。这个实验说难很难，说简单也很简单，不光只是1.3的两道题目，更要掌握其运行本质，这样才能在添加系统调用中如鱼得水。

文章写作时间仓促，如有错误请指正，如有问题请在评论区中提问。

加油！

1.什么是系统调用

应用程序通过系统调用请求操作系统服务

应用程序不能直接申请系统资源，必须通过系统调用的方式向操作系统提出服务请求，由操作系统代为完成。这样保证了系统的稳定性和安全性。

系统调用分为 设备管理，文件管理，进程控制，进程通信，内存管理

系统调用的相关处理都是在核心态下的

2. 系统调用与库函数的区别

库函数可能是封装好的系统调用，也可能不涉及系统调用。应用程序可能发出系统调用，库函数也可能发出系统调用。

高级语言编译为汇编语言，汇编语言的指令可能需要发出系统调用请求。

3. 系统调用背后的过程

linux中，系统调用实际上是0x80号中断对应的中断处理程序的子程序

系统调用陷入指令就是 int 0x80；

在执行"int 0x80;"进行中断之前，应用层会做如下准备工作：
1.把系统调用号码赋值给寄存器EAX；
2.把系统调用需要的参数按次序赋值给寄存器EBX，ECX，EDX等等。
这样，等下0x80中断发生的时候，系统调用需要的全部信息就能通过这些寄存器传递给中断处理程序了。

系统调用过程

进入80号中断处理程序后，根据系统调用号码选择相应的中断处理子程序

4. 总结

     前不久开了一门《操作系统》，老师上课留下了一个作业——给Linux系统添加一个系统调用。刚开始只能用一脸懵逼来形容，只能硬着头皮做下去。由于刚的新电脑，所以就没敢装双系统。所以我选择了虚拟机，虚拟机刚开始配置的过程不算特别复杂，网上也有很多教程，于是我看着虚拟机也是一脸懵逼，不知道从何下手，百度得知快捷键Ctr+Alt+T或者右键+终端可以打开终端，于是我试了一下，哇好眼熟，这不就是Windows系统里面那个黑框框吗（命令行）；好像也是可以下手的，于是就这样一边百度一边做着，错了一次改下，改不动了推倒重新来过。终于最终解决了这个问题！

    下面部分主要分三个部分：一、系统调用的概念；二、实现系统调用的过程；三、实现过程遇到的问题；四、感受（ps:本人第一次写博客，可能前后内容不太连贯）

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一、系统调用的概念

        Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序，称为系统调用。用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。从某种角度来看，系统调用和普通的函数调用非常相似。区别仅仅在令在自己的应用程序中调用它们。从某种角度来看，系统调用和普通的函数调用非常相似。区别仅仅在于，系统调用由操作系统核心提供，运行于核心态；而普通的函数调用由函数库或用户自己提供，运行于用户态。二者在使用方式上也有相似之处。Linux系统的核心部分即是Linux内核，是一系列设备的驱动程序。系统调用是Linux内核提供的功能十分强大的一系列的函数。这些函数是在内核中实现的，它们是应用程序和内核交互的接口，系统调用在Linux系统中发挥着巨大的作用，如果没有系统调用，那么应用程序就失去了内核的支持。

 二、系统调用的实现

第一步：获取root权限（即管理员权限）

在终端输入下列指令：

sudo su

注意：获取root权限需要用户输入密码（登陆密码），密码是看不见的，用户只需正确的输入密码即可，回车键结束

示意图如下：

第二步：准备工作

1、安装相关编译程序

sudo  apt-getinstallbuild-essentialkernel-package  libncurses5-dev

2、获取内核

（1）从外面将linux-4.16.10.tar拖入到了虚拟机桌面（我用的内核是linux-4.16.10）

    内核的话新版本也是可以的，官网下载或者从别人哪儿拷，指令的话只需要对应的把版本号改一下

（2）下一步就是将该压缩文件移入到/usr/src/文件夹中

注意：在.tar后面有一个空格，文件名建议复制不建议手敲。可以直接把我的语句复制过去然后方向键移到需要修改的地方进行修改

sudo mv /peter/home/桌面/linux-4.16.10.tar/usr/src/

注：由于我之前都将这些东西配置好了，所以是这个显示，一个细节，可以通过方向键的上下快速切换历史命令

第三步、进入/usr/src解压文件

cd /usr/src

sudo tar -xvf /usr/src/linux-4.16.10.tar.bz2

解压过程如下图所示，如果要确定自己的内核版本，可以在终端输入命令uname -r。解压过程稍长，注意：解压语句可能因为文件地址稍有不同，建议去计算机里面去拷贝路径！

第四步：进入解压出的文件目录

cd /usr/src/linux-4.16.10/kernel

第五步：安装vim

sudo apt-get install vim

第六步：打开sys.c加入函数

vim sys.c

注意：在vim中, i进入编辑, esc退出编辑状态. G跳到末尾, gg进入开头。 :wq保存退出, :q不保存退出)

在末尾加入函数

asmlinkage long sys_helloworld(void){

    printk( "helloworld!");

     return 1;

}

第七步、添加声明

cd /usr/src/linux-4.16.10/arch/x86/include/asm/

vim syscalls.h

（插入asmlinkage long sys_helloworld(void);）

第八步：加一个系统调用的id

cd/usr/src/linux-4.16.10/arch/x86/entry/syscalls

vim syscall_64.tbl

a、进入/usr/src/linux-4.16.10/arch/x86/syscalls目录

b、打开文件syscall_64.tbl（该文件有一个系统调用列表，最前面的属性是id）

c、在里面添加自己的系统调用号（333  64  helloworld           sys_helloworld）

d、使用esc +:wq命令保存退出

注意：我在任务管理器发现我的VMware workstation是32位的，但我同学用64位成功了！所以我用的是vim syscall_64.tbl，之前试了vim syscall_32.tbl没能成功。所以要以虚拟机为主！！！

第九步：配置内核

cd  /usr/src/linux-4.16.10

编译内核和安装内核.

依次输入这四条语句

sudo make mrproper

sudo make clean

sudo make menuconfig  （并且在make

nfig时，将那个General setup内的localversion修改成新的名称,比如我这里的myKernel）

sudo make menuconfig出现的问题：

scripts/Makefile.lib:194: recipe for target 'scripts/kconfig/lexer.lex.c' failed make[1]:

*** [scripts/kconfig/lexer.lex.c] Error 127 Makefile:552: recipe for target 'menuconfig' failed make: 

*** [menuconfig] Error 2

 解决办法：

sudo apt-get install bison

sudo apt-get install flex

安装这两个包完成后再sudo make menuconfig

根据自己处理器的最大线程数目来编译.

sudo make -j4 （我的电脑是4核4线程），线程越多编译越快！

此处可能报错：

make[1]:
*** [scripts/sign-file] Error 1 
Makefile:1065: recipe for target 'scripts' failed make: 
*** [scripts] Error 2

 解决办法：

第一反应耐心看报错信息，缺什么包补什么包sudo apt-get install XXXX

下面这个语句可以解决较多的问题。

sudo apt-get install libssl-dev

编译过程真的超级超级漫长。。。

注意：　这个时候，终端的窗口最好最大化，否则可能会报错。

第十步：安装内核

编译后安装内核到系统中.

sudo makemodules_install  

sudomake install  // 安装内核

这个地方也需要一定的时间，反正编译三个多小时，不差这一会哈哈哈

 第十一步：重启虚拟机

将之前的工作保存后直接重启，重启后点击鼠标进入ubuntu并且迅速按住shift，长按！我的虚拟机直接登陆上了，我同学的好像都有一个选择内核过程，有选择的话，只需要选择新核就OK了！

第十二步：验证系统调用是否成功

a、登陆虚拟机

b、打开终端

c、输入下列指令：

(1)gcc hello.c

输入下列代码：

(2)./a.out

输出，见证成果的时候到了！！！

返回值为1！！！！！

系统调用成功了！！！！

终于弄完了，明天篮球场走起哈哈

三、感受

    作为一个linux小白实现上述过程是很痛苦的，但是真的很想去把这件事做好，一步一步，从什么都不知道到好像懂了一点点，再到可以看懂每行代码的含义，到最后做出成果，刚开始做的时候比较浮躁，到了后面就冷静了。看了20多篇博客，解决各种问题；之前做的时候犯的错误多的数不胜数，后面弄的时候一点点规避和解决，功夫不负有心人，虽然为了这个作业花了我整整一周的精力（本人理解能力较差，周围有的大佬花了几天就弄完了），这次的成功相信可以给我后面进一步学好操作系统的信心，也培养了自己的耐心和攻坚精神。相信自己会继续加油的！

    给读者：排版方面，第一次用CSDN亲自写博客（之前都是看各路大牛的博客），格式没有弄得特别人性化，比如代码没能用特定的代码行来进行排版，但感觉应该不影响阅读，下次会继续改进的，希望下次还可以有东西可以写哈哈哈。如果有关于此篇博客的疑问,欢迎来撩！联系方式：QQ 2729707823 备注CSDN（有时候看见一个问题有人解决了但是没看懂，没办法联系博主就很难受！）

 空信最棒!

更新于2019年5月7日晚。