64位系统调用过程

July 27, 2023

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x86_64 下的 sysdep.h 文件。

/* The Linux/x86-64 kernel expects the system call parameters in
   registers according to the following table:
    syscall number  rax
    arg 1    rdi
    arg 2    rsi
    arg 3    rdx
    arg 4    r10
    arg 5    r8
    arg 6    r9
......
*/
#define DO_CALL(syscall_name, args)                \
  lea SYS_ify (syscall_name), %rax;                \
  syscall

将系统调用名称转换为系统调用号，放到寄存器 rax。这里是真正进行调用，不是用中断了，而是改用 syscall 指令了。并且，通过注释我们也可以知道，传递参数的寄存器也变了。

syscall 指令还使用了一种特殊的寄存器，我们叫特殊模块寄存器（Model Specific Registers，简称 MSR）。这种寄存器是 CPU 为了完成某些特殊控制功能为目的的寄存器，其中就有系统调用。

在系统初始化的时候，trap_init 除了初始化上面的中断模式，这里面还会调用 cpu_init->syscall_init。这里面有这样的代码：

wrmsrl(MSR_LSTAR, (unsigned long)entry_SYSCALL_64);

rdmsr 和 wrmsr 是用来读写特殊模块寄存器的。MSR_LSTAR 就是这样一个特殊的寄存器，当 syscall 指令调用的时候，会从这个寄存器里面拿出函数地址来调用，也就是调用 entry_SYSCALL_64。

在 arch/x86/entry/entry_64.S 中定义了 entry_SYSCALL_64。

ENTRY(entry_SYSCALL_64)
        /* Construct struct pt_regs on stack */
        pushq   $__USER_DS                      /* pt_regs->ss */
        pushq   PER_CPU_VAR(rsp_scratch)        /* pt_regs->sp */
        pushq   %r11                            /* pt_regs->flags */
        pushq   $__USER_CS                      /* pt_regs->cs */
        pushq   %rcx                            /* pt_regs->ip */
        pushq   %rax                            /* pt_regs->orig_ax */
        pushq   %rdi                            /* pt_regs->di */
        pushq   %rsi                            /* pt_regs->si */
        pushq   %rdx                            /* pt_regs->dx */
        pushq   %rcx                            /* pt_regs->cx */
        pushq   $-ENOSYS                        /* pt_regs->ax */
        pushq   %r8                             /* pt_regs->r8 */
        pushq   %r9                             /* pt_regs->r9 */
        pushq   %r10                            /* pt_regs->r10 */
        pushq   %r11                            /* pt_regs->r11 */
        sub     $(6*8), %rsp                 /* pt_regs->bp, bx, r12-15 not saved */
        movq    PER_CPU_VAR(current_task), %r11
        testl   $_TIF_WORK_SYSCALL_ENTRY|_TIF_ALLWORK_MASK, TASK_TI_flags(%r11)
        jnz     entry_SYSCALL64_slow_path
......
entry_SYSCALL64_slow_path:
        /* IRQs are off. */
        SAVE_EXTRA_REGS
        movq    %rsp, %rdi
        call    do_syscall_64           /* returns with IRQs disabled */
return_from_SYSCALL_64:
  RESTORE_EXTRA_REGS
  TRACE_IRQS_IRETQ
  movq  RCX(%rsp), %rcx
  movq  RIP(%rsp), %r11
  movq  R11(%rsp), %r11
......
syscall_return_via_sysret:
  /* rcx and r11 are already restored (see code above) */
  RESTORE_C_REGS_EXCEPT_RCX_R11
  movq  RSP(%rsp), %rsp
  USERGS_SYSRET64

这里先保存了很多寄存器到 pt_regs 结构里面，例如用户态的代码段、数据段、保存参数的寄存器，然后调用 entry_SYSCALL64_slow_pat->do_syscall_64。

__visible void do_syscall_64(struct pt_regs *regs)
{
    struct thread_info *ti = current_thread_info();
    unsigned long nr = regs->orig_ax;
    ......
    if (likely((nr & __SYSCALL_MASK) < NR_syscalls)) {
            regs->ax = sys_call_table[nr & __SYSCALL_MASK](
                    regs->di, regs->si, regs->dx,
                    regs->r10, regs->r8, regs->r9);
    }
    syscall_return_slowpath(regs);
}

在 do_syscall_64 里面，从 rax 里面拿出系统调用号，然后根据系统调用号，在系统调用表 sys_call_table 中找到相应的函数进行调用，并将寄存器中保存的参数取出来，作为函数参数。

所以，无论是 32 位，还是 64 位，都会到系统调用表 sys_call_table 这里来。

我们看 64 位的系统调用返回的时候，执行的是 USERGS_SYSRET64。定义如下：

#define USERGS_SYSRET64        \
  swapgs;          \
  sysretq;