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

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）

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

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. 登录用于交叉编译的Linux主机 → 进入 Linux 源码目录
2. 修改前备份文件（如 cp syscalls.h syscalls.h.092125）

声明函数原型（在 include/linux/syscalls.h 底部添加）：

// 092125
asmlinkage long sys_noargs(void); 
asmlinkage long sys_onearg(int arg);

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

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/syscalls.h>

//这个宏定义了一个不携带参数的系统调用，它定义于syscalls.h
SYSCALL_DEFINE0( noargs ){
// print out a simple message indicating the function was called, and return SUCCESS
printk("Someone invoked the sys_noargs system call");
return 0;  
}

3. sys_onearg.c 模板：
   

   //这个宏定义了携带一个参数的系统调用，它定义于syscalls.h
   SYSCALL_DEFINE1(onearg, int, arg) {
       printk("Received argument: %d\n", arg); 
       return 0; // 返回适当值
   }

练习7

添加文件到构建系统：
修改 arch/arm/kernel/Makefile：
1. 备份原文件(例如Makefile.092125) 2. 在 obj-y 列表末尾添加（不在 \ 后）：

sys_noargs.o sys_onearg.o

练习8

更新系统调用表：
修改 arch/arm/tools/syscall.tbl：
1. 备份原文件（ 例如 syscall.tbl.092125 ） 2. 在末尾添加（分配新调用号）：

(调用号)  ...  （系统调用名称）    （实际调用的函数名）

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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：

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：

uname -a

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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：

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_...
- 将 setuid 调用号替换为 __NR_...
- 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：

dmesg

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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）

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