操作系统基础 | 3.4 系统调用实验

必做练习

练习1
准备好实验报告

练习2
我们将通过 libc 包装器发起系统调用（标准用户程序调用内核的方式）。系统调用完整列表可通过 man 2 syscalls 查看手册页。
1. 启动树莓派，在终端中脱离 Linux 源码目录新建用户程序目录
2. 创建文件 lib_call.c，编写 C 程序：
- 使用库函数 getuid 读取并打印用户 ID
- 尝试用 setuid 将 ID 设为 0（root）并报告是否成功
- 再次读取并打印用户 ID
3. 通过 man 2 getuid 和 man 2 setuid 查阅：
- 函数调用语法和返回值类型
- 编译所需的头文件
4. 错误检查：若 setuid 失败，输出错误原因（使用 strerror(errno)）。
- 相关手册页：man 3 printf, man 3 strerror, man 3 errno
5. 在实验机上编译运行：

   gcc lib_call.c -o lib_call && ./lib_call
   ```  
**提示**：
直接写 `usr_id = getuid()` 实际上**不是直接使用系统调用**，而是调用了**libc库的封装函数**（即 glibc 提供的 getuid），它内部会帮你完成系统调用的参数准备和陷入内核的过程。
如果想**直接使用系统调用**，需要用 `syscall` 函数或者汇编指令，并传入系统调用号（如 `__NR_getuid`），而不是用库函数。例如：


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**练习3**  
从树莓派用户程序目录执行：  
1. 通过 sftp 从 `shell.cec.学校简称.edu` 获取 `lib_call.c`  
2. 在树莓派上编译并运行程序（分别用普通用户和 `sudo` 权限运行）  
**答案**：粘贴两种运行方式的输出，并对比实验机与树莓派的差异（编译/运行等）。

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**练习4**  
修改程序使用原生系统调用接口（`man 2 syscall`）：  
1. 复制 `lib_call.c` 为 `native_call.c`  
2. 将 `getuid/setuid` 替换为 `syscall`  
3. 通过 Linux 源码确定 ARM 系统调用号：  
   - 查看 `arch/arm/include/uapi/asm/unistd.h`  
   - 查看生成的 `arch/arm/include/generated/uapi/asm/unistd-common.h`  
4. **使用常量**（如 `__NR_getuid`）而非硬编码数字  
5. 可能需包含头文件 `asm/unistd.h`  
6. 在树莓派上编译运行  
**答案**：粘贴新程序的输出。

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**练习5**  
为内核添加两个新系统调用（各打印一条内核日志）：  
**任务清单**  
1. 在内核中声明函数原型  
2. 实现函数逻辑  
3. 分配系统调用号  
4. 更新 ARM 系统调用表  
5. 更新系统调用总数  

**操作步骤**  
1. SSH 登录 `shell.cec.学校简称.edu` → `qlogin -q all.q` → 进入 Linux 源码目录  
2. **修改前备份文件**（如 `cp syscalls.h syscalls.h.072325`）  

**声明函数原型**（在 `include/linux/syscalls.h` 底部添加）：  
```c
// CSE422 072325
asmlinkage long sys_noargs(void); 
asmlinkage long sys_onearg(int arg);
```  
**答案**：粘贴添加的函数原型。

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**练习6**  
**实现系统调用函数**：  
1. 在 `arch/arm/kernel/` 创建文件：  
   - `sys_noargs.c`（无参数函数）  
   - `sys_onearg.c`（带参数函数）  
2. `sys_noargs.c` 内容参考[此文件](https://example.com/sys_noargs.c)  
3. `sys_onearg.c` 模板：  
   ```c
   SYSCALL_DEFINE1(sys_onearg, int, arg) {
       printk("Received argument: %d\n", arg); 
       return 0; // 返回适当值
   }
   ```  
**答案**：粘贴 `sys_onearg` 的实现代码。

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**练习7**  
**添加文件到构建系统**：  
修改 `arch/arm/kernel/Makefile`：  
1. 备份原文件  
2. 在 `obj-y` 列表末尾添加（**不在 `\` 后**）：  
   ```makefile
   obj-y += sys_noargs.o sys_onearg.o
   ```  
**答案**：粘贴修改后的 `obj-y` 行。

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**练习8**  
**更新系统调用表**：  
修改 `arch/arm/tools/syscall.tbl`：  
1. 备份原文件  
2. 在末尾添加（分配新调用号）：  
   ```plaintext
   456  common  sys_noargs    sys_noargs
   457  common  sys_onearg     sys_onearg
   ```  
**答案**：粘贴添加的两行内容。

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**练习9**  
**编译并验证新内核**：  
1. 在 Linux 源码根目录执行：  
   ```bash
   make clean
   ```  
2. 修改本地版本标识：  
   - 编辑 `.config` 文件  
   - 更新 `CONFIG_LOCALVERSION` 值（如 `-syscallstudio`）  
3. 按实验1/2的步骤编译安装内核  
4. 树莓派上运行：  
   ```bash
   uname -a
   ```  
**答案**：粘贴 `uname -a` 输出结果。

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**练习10**  
**调用新系统调用**：  
1. 通过 sftp 获取 `arch/arm/include/generated/uapi/asm/unistd-common.h`  
2. 复制到 GCC 头文件目录：  
   ```bash
   sudo cp unistd-common.h /usr/include/arm-linux-gnueabihf/asm
   ```  
3. 创建 `new_call.c`（基于 `native_call.c`）：  
   - 将 `getuid` 调用号替换为 `__NR_sys_noargs`  
   - 将 `setuid` 调用号替换为 `__NR_sys_onearg`  
   - 为单参数调用声明变量（勿直接传常量）  
4. 编译运行后检查内核日志：  
   ```bash
   dmesg
   ```  
**答案**：粘贴 `dmesg` 中包含系统调用输出的日志行。

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### **需提交的文件**  
1. 必做练习答案  
2. 源代码：`lib_call.c`, `native_call.c`, `new_call.c`  
3. 系统调用实现文件：`sys_noargs.c`, `sys_onearg.c`  
4. 修改文件的 diff（对比备份）：  
   ```bash
   diff -up syscalls.h syscalls.h.072325 > syscalls.h.diff
   diff -up syscall.tbl syscall.tbl.072325 > syscall.tbl.diff

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可选拓展练习

完成任意拓展练习后简述收获（附问题答案）。

练习1
用汇编接口实现系统调用（参考课堂 ARM 调用流程），使用 GCC 内联汇编（asm 扩展）。
> 提示：详细流程见 man 2 syscall，内核入口代码见 arch/arm/kernel/entry-common.S。

练习2
实现读取周期计数器（CCNT）的系统调用：
1. 下载性能监控头文件 至 arch/arm/include/asm
2. 声明函数原型：asmlinkage long sys_read_ccnt(unsigned long long *val)
3. 创建 sys_read_ccnt.c（参考模板）
4. 更新 Makefile 和 syscall.tbl
5. 编写程序连续调用两次，计算调用耗时（周期数）
答案：报告系统调用消耗的周期数。

练习3
修复 read_ccnt 的安全缺陷：
1. 使用 copy_to_user() 替代直接写入用户指针
2. 失败时返回 -EFAULT
答案：粘贴修复后的 sys_read_ccnt 实现代码。

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注意：
- 所有内核修改需添加注释 //CSE422 MMDDYY（日期格式：月日年）
- 推荐在实验机开发代码，通过 sftp 同步至树莓派以防崩溃丢失