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Fuchsia 系統呼叫的生命週期

總覽

應用程式叫用系統呼叫時，執行作業會經過多個階段。為減少樣板程式碼，系統會使用 zither 工具產生 syscall 專屬邏輯。在深入探討上述各階段的運作方式之前，最好先瞭解這段程式碼的生成方式。

使用者模式和核心模式區塊的圖表，以及特定程式碼區塊的建立方式。

使用 zither 生成程式碼

Fuchsia 系統呼叫會在 //zircon/vdso 的 FIDL 檔案中宣告。

zx_channel_create 宣告範例：

library zx;

@transport("Syscall")
protocol channel {
    channel_create(struct {
        options uint32;
    }) -> (resource struct {
        status status;
        out0 handle;
        out1 handle;
    });
};

建構核心時，fidlc (FIDL 前端) 會擷取這些 FIDL 檔案，並產生 FIDL 中繼表示法 (IR) JSON 檔案。IR 檔案會在 //out/default/gen/zircon/vdso/zx.fidl.json 產生。

zither 會讀取這個 IR 檔案，並產生來源檔案，透過每個 syscall 的輸入和輸出內容叫用 C++ 巨集。這些巨集是依架構定義，可讓 zither 輸出與架構無關的來源。

zither 輸出範例：

KERNEL_SYSCALL(channel_create, zx_status_t, /* no attributes */, 3,
    (options, out0, out1), (
    uint32_t options,
    _ZX_SYSCALL_ANNO(acquire_handle("Fuchsia")) zx_handle_t* out0,
    _ZX_SYSCALL_ANNO(acquire_handle("Fuchsia")) zx_handle_t* out1))

x86 實作範例：

#define KERNEL_SYSCALL(name, type, attrs, nargs, arglist, prototype) \
  m_syscall zx_##name, ZX_SYS_##name, nargs, 1

.macro m_syscall name, num, nargs, public
syscall_entry_begin \name
    .cfi_same_value %r12
    .cfi_same_value %r13
.if \nargs <= 3
    zircon_syscall \num, \name, \name
    ret
.endif

.macro zircon_syscall num, name, caller
    mov $\num, %eax
    syscall
// This symbol at the return address identifies this as an approved call site.
    .hidden CODE_SYSRET_\name\()_VIA_\caller
CODE_SYSRET_\name\()_VIA_\caller\():
.endm

在整個 syscall 階段中，都可以看到這種將 zither 產生的來源與 C++ 巨集和組合常式連結的模式。

計畫

如要使用 syscall，請加入 Fuchsia SDK 的 <zircon/syscalls.h> 標頭，該標頭是由 zither 產生。雖然程式在編譯期間可以使用標頭，但實作只能在 vDSO 內的執行階段使用。

vDSO

虛擬動態共用物件 (vDSO) 是 ELF 檔案，包含每個系統呼叫的使用者空間實作。vDSO 中的組合常式大多由 zither 產生，但結構都相同：

將使用者提供的引數儲存至架構專屬暫存器
將 syscall 編號儲存至架構專屬暫存器 (x86 為 %eax)
將情境切換至核心 (x86 為 syscall)

您可以使用以下指令查看 vDSO 中的常式：

$ objdump -d `find out/default.zircon -name libzircon.so.debug` | less

zx_channel_create 的 x86 實作：

0000000000007a70 <_zx_channel_create>:
    7a70:       b8 03 00 00 00          mov    $0x3,%eax
    7a75:       0f 05                   syscall

0000000000007a77 <CODE_SYSRET_zx_channel_create_VIA_zx_channel_create>:
    7a77:       c3                      retq

建構核心時，vDSO 會與核心一起封裝為 ELF 檔案。在啟動期間，physboot 會將 vDSO 映像檔交給 vmo 中的核心，核心會從中建立 vDSO。在啟動期間，系統會將部分常數寫入 vDSO，讓使用者空間程式可以查詢這些常數，而不必跳至核心。

在呼叫程式的進入點之前，ld.so 會將 vDSO 對應至記憶體。為防止 return-to-libc 攻擊，vDSO 會放置在程序位址空間中的隨機位置，而基準位址則會提供給特定暫存器中的第一個執行緒。

vDSO 會在 libc 提供的進入點中，動態連結至使用者程式

程序載入和 vDSO 的流程圖

Syscall 處理常式

為了在特殊權限模式下接收系統呼叫，核心會在啟動時註冊系統呼叫處理常式。呼叫這個常式時，系統會使用 syscall 編號，在調度常式對應表中建立索引。

x86 實作：//zircon/kernel/arch/x86

write_msr(X86_MSR_IA32_LSTAR, (uint64_t)&x86_syscall);

FUNCTION_LABEL(x86_syscall)
  leaq    .Lcall_wrapper_table(%rip), %r11
  movq    (%r11,%rax,8), %r11
  jmp     *%r11
END_FUNCTION(x86_syscall)

分派常式負責將 syscall 引數移至適當的暫存器，以便做為 C 函式引數，並呼叫包裝函式。系統會在建構時使用 syscall_dispatch 巨集和 zither 產生的來源檔案產生常式。

#define KERNEL_SYSCALL(name, type, attrs, nargs, arglist, prototype) \
  syscall_dispatch nargs, name

KERNEL_SYSCALL(channel_create, zx_status_t, /* no attributes */, 3,
    (options, out0, out1), (
    uint32_t options,
    _ZX_SYSCALL_ANNO(acquire_handle("Fuchsia")) zx_handle_t* out0,
    _ZX_SYSCALL_ANNO(acquire_handle("Fuchsia")) zx_handle_t* out1))

.macro syscall_dispatch nargs, syscall
  LOCAL_FUNCTION(.Lcall_\syscall\())
    // move args around
    pre_\nargs\()_args
    // calls wrapper
    call wrapper_\syscall
    // cleans up
    post_\nargs\()_args
  END_FUNCTION(.Lcall_\syscall\())
.endm

Syscall 包裝函式

syscall 包裝函式函式是由 zither 產生，負責呼叫 syscall 實作，然後將任何控制代碼複製回用戶端。這些包裝函式的命名慣例為 wrapper_<syscall>。

syscall_result wrapper_channel_create(uint32_t options, zx_handle_t* out0, zx_handle_t* out1, uint64_t pc) {
    return do_syscall(ZX_SYS_channel_create, pc, &VDso::ValidSyscallPC::channel_create, [&](ProcessDispatcher* current_process) -> uint64_t {
        zx_handle_t out_handle_out0;
        zx_handle_t out_handle_out1;
        auto result = sys_channel_create(options, &out_handle_out0, &out_handle_out1);
        if (result != ZX_OK)
            return result;
        result = make_user_out_ptr(SafeSyscallArgument<zx_handle_t*>::Sanitize(out0))
                                   .copy_to_user(out_handle_out0);
        if (result != ZX_OK) {
            // We should never fail to copy out a handle to userspace. If we do, a
            // handle will be leaked, so throw a SignalPolicyException.
            Thread::Current::SignalPolicyException(ZX_EXCP_POLICY_CODE_HANDLE_LEAK, 0u);
        }
        result = make_user_out_ptr(SafeSyscallArgument<zx_handle_t*>::Sanitize(out1))
                    .copy_to_user(out_handle_out1);
        if (result != ZX_OK) {
            // We should never fail to copy out a handle to userspace. If we do, a
            // handle will be leaked, so throw a SignalPolicyException.
            Thread::Current::SignalPolicyException(ZX_EXCP_POLICY_CODE_HANDLE_LEAK, 0u);
        }
        return result;
    });
}

Syscall 實作

syscall 實作項目是手寫函式，命名慣例為 sys_<syscall>。這些函式包含系統呼叫的核心邏輯，且與架構無關。

//zircon/kernel/lib/syscalls/channel.rs

zx_status_t sys_channel_create(...) {
   ...
}

附錄

建立新 syscall 的修訂版本範例。