开源鸿蒙内核源码分析系列 | 系统调用 | 开发者永远的口头禅
本篇说清楚系统调用
读本篇之前建议先读系列篇《寄存器 | 世界被它们玩出了花》。
本篇通过一张图和七段代码详细说明系统调用的整个过程，代码一捅到底，直到汇编层再也捅不下去。
先看图，这里的模式可以理解为空间，因为模式不同运行的栈空间就不一样。
过程解读：
- 在应用层main中使用系统调用mq_open(posix标准接口)
- mq_open被封装在库中，这里直接看库里的代码。
- mq_open中调用syscall，将参数传给寄出器 R7，R0~R6
- SVC 0 完成用户模式到内核模式(SVC)的切换
- _osExceptSwiHdl运行在svc模式下。
- PC寄存器直接指向_osExceptSwiHdl处取指令。
- _osExceptSwiHdl是汇编代码，先保存用户模式现场(R0~R12寄存器)，并调用OsArmA32SyscallHandle完成系统调用
- OsArmA32SyscallHandle中通过系统调用号(保存在R7寄存器)查询对应的注册函数SYS_mq_open
- SYS_mq_open是本次系统调用的实现函数，完成后return回到OsArmA32SyscallHandle
- OsArmA32SyscallHandle再return回到_osExceptSwiHdl
- _osExceptSwiHdl恢复用户模式现场(R0~R12寄存器)
- 从内核模式(SVC)切回到用户模式，PC寄存器也切回用户现场。
接下来，我们会把七段追踪代码，逐个分析。
1.应用程序 main
int main(void)
{
char mqname[NAMESIZE]， msgrv1[BUFFER]， msgrv2[BUFFER];
const char *msgptr1 = "test message1";
const char *msgptr2 = "test message2 with differnet length";
mqd_t mqdes;
int prio1 = 1， prio2 = 2;
struct timespec ts;
struct mq_attr attr;
int unresolved = 0， failure = 0;
sprintf(mqname， "/" FUNCTION "_" TEST "_%d"， getpid());
attr.mq_msgsize = BUFFER;
attr.mq_maxmsg = BUFFER;
mqdes = mq_open(mqname， O_CREAT | O_RDWR， S_IRUSR | S_IWUSR， &attr);
if (mqdes == (mqd_t)-1) {
perror(ERROR_PREFIX "mq_open");
unresolved = 1;
}
if (mq_send(mqdes， msgptr1， strlen(msgptr1)， prio1) != 0) {
perror(ERROR_PREFIX "mq_send");
unresolved = 1;
}
printf("Test PASSED\n");
return PTS_PASS;
}
2. mq_open 发起系统调用
mqd_t mq_open(const char *name， int flags， ...)
{
mode_t mode = 0;
struct mq_attr *attr = 0;
if (*name == '/') name++;
if (flags & O_CREAT) {
va_list ap;
va_start(ap， flags);
mode = va_arg(ap， mode_t);
attr = va_arg(ap， struct mq_attr *);
va_end(ap);
}
return syscall(SYS_mq_open， name， flags， mode， attr);
}解读：
- SYS_mq_open 是真正的系统调用函数，对应一个系统调用号__NR_mq_open，通过宏SYSCALL_HAND_DEF将SysMqOpen注册到g_syscallHandle中。
static UINTPTR g_syscallHandle[SYS_CALL_NUM] = {0}; //系统调用入口函数注册
static UINT8 g_syscallNArgs[(SYS_CALL_NUM + 1) / NARG_PER_BYTE] = {0};//保存系统调用对应的参数数量
#define SYSCALL_HAND_DEF(id， fun， rType， nArg) \
if ((id) < SYS_CALL_NUM) { \
g_syscallHandle[(id)] = (UINTPTR)(fun); \
g_syscallNArgs[(id) / NARG_PER_BYTE] |= ((id) & 1) ？(nArg) << NARG_BITS ：(nArg); \
} \
#include "syscall_lookup.h"
#undef SYSCALL_HAND_DEF
SYSCALL_HAND_DEF(__NR_mq_open， SysMqOpen， mqd_t， ARG_NUM_4)- g_syscallNArgs为注册函数的参数个数，也会一块记录下来。
- 四个参数为 SYS_mq_open的四个参数，后续将保存在R0~R3寄存器中。
3. syscall
long syscall(long n， ...)
{
va_list ap;
syscall_arg_t a，b，c，d，e，f;
va_start(ap， n);
a=va_arg(ap， syscall_arg_t);
b=va_arg(ap， syscall_arg_t);
c=va_arg(ap， syscall_arg_t);
d=va_arg(ap， syscall_arg_t);
e=va_arg(ap， syscall_arg_t);
f=va_arg(ap， syscall_arg_t);//最多6个参数
va_end(ap);
return __syscall_ret(__syscall(n，a，b，c，d，e，f));
}
//4个参数的系统调用时底层处理
static inline long __syscall4(long n， long a， long b， long c， long d)
{
register long a7 __asm__("a7") = n; //将系统调用号保存在R7寄存器
register long a0 __asm__("a0") = a; //R0
register long a1 __asm__("a1") = b; //R1
register long a2 __asm__("a2") = c; //R2
register long a3 __asm__("a3") = d; //R3
__asm_syscall("r"(a7)， "0"(a0)， "r"(a1)， "r"(a2)， "r"(a3))
}解读：
- 可变参数实现所有系统调用的参数的管理，可以看出，在鸿蒙内核中系统调用的参数最多不能大于6个
- R7寄存器保存了系统调用号，R0~R5保存具体每个参数
- 可变参数的具体实现后续有其余篇幅详细介绍，敬请关注。
4. svc 0
//切到SVC模式
#define __asm_syscall(...) do { \
__asm__ __volatile__ ( "svc 0" \
: "=r"(x0) : __VA_ARGS__ : "memory"， "cc"); \
return x0; \
} while (0)看不太懂的没关系，这里我们只需要记住：系统调用号存放在r7寄存器，参数存放在r0，r1，r2寄存器中，返回值最终会存放在寄存器r0中。
b reset_vector @开机代码
b _osExceptUndefInstrHdl @异常处理之CPU碰到不认识的指令
b _osExceptSwiHdl @异常处理之:软中断
b _osExceptPrefetchAbortHdl @异常处理之:取指异常
b _osExceptDataAbortHdl @异常处理之:数据异常
b _osExceptAddrAbortHdl @异常处理之:地址异常
b OsIrqHandler @异常处理之:硬中断
b _osExceptFiqHdl @异常处理之:快中断解读：
- svc 全称是 SuperVisor Call，完成工作模式的切换。不管之前是7个模式中的哪个模式，统一都切到SVC管理模式。但你也许会好奇，ARM软中断不是用SWI吗，这里怎么变成了SVC了，请看下面一段话，是从ARM官网翻译的：
- 而软中断对应的处理函数为 _osExceptSwiHdl，即PC寄存器将跳到_osExceptSwiHdl执行。
5. _osExceptSwiHdl
@ Description: Software interrupt exception handler
_osExceptSwiHdl: @软中断异常处理
@保存任务上下文(TaskContext) 开始... 一定要对照TaskContext来理解
SUB SP， SP， #(4 * 16) @先申请16个栈空间用于处理本次软中断
STMIA SP， {R0-R12} @TaskContext.R[GEN_REGS_NUM] STMIA从左到右执行，先放R0 .. R12
MRS R3， SPSR @读取本模式下的SPSR值
MOV R4， LR @保存回跳寄存器LR
AND R1， R3， #CPSR_MASK_MODE @ Interrupted mode 获取中断模式
CMP R1， #CPSR_USER_MODE @ User mode 是否为用户模式
BNE OsKernelSVCHandler @ Branch if not user mode 非用户模式下跳转
@ 当为用户模式时，获取SP和LR寄出去值
@ we enter from user mode， we need get the values of USER mode r13(sp) and r14(lr).
@ stmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list).
MOV R0， SP @获取SP值，R0将作为OsArmA32SyscallHandle的参数
STMFD SP!， {R3} @ Save the CPSR 入栈保存CPSR值 => TaskContext.regPSR
ADD R3， SP， #(4 * 17) @ Offset to pc/cpsr storage 跳到PC/CPSR存储位置
STMFD R3!， {R4} @ Save the CPSR and r15(pc) 保存LR寄存器 => TaskContext.PC
STMFD R3， {R13， R14}^ @ Save user mode r13(sp) and r14(lr) 从右向左 保存 => TaskContext.LR和SP
SUB SP， SP， #4 @ => TaskContext.resved
PUSH_FPU_REGS R1 @保存中断模式(用户模式模式)
@保存任务上下文(TaskContext) 结束
MOV FP， #0 @ Init frame pointer
CPSIE I @开中断，表明在系统调用期间可响应中断
BLX OsArmA32SyscallHandle /*交给C语言处理系统调用，参数为R0，指向TaskContext的开始位置*/
CPSID I @执行后续指令前必须先关中断
@恢复任务上下文(TaskContext) 开始
POP_FPU_REGS R1 @弹出FP值给R1
ADD SP， SP，#4 @ 定位到保存旧SPSR值的位置
LDMFD SP!， {R3} @ Fetch the return SPSR 弹出旧SPSR值
MSR SPSR_cxsf， R3 @ Set the return mode SPSR 恢复该模式下的SPSR值
@ we are leaving to user mode， we need to restore the values of USER mode r13(sp) and r14(lr).
@ ldmia with ^ will return the user mode registers (provided that r15 is not in the register list)
LDMFD SP!， {R0-R12} @恢复R0-R12寄存器
LDMFD SP， {R13， R14}^ @ Restore user mode R13/R14 恢复用户模式的R13/R14寄存器
ADD SP， SP， #(2 * 4) @定位到保存旧PC值的位置
LDMFD SP!， {PC}^ @ Return to user 切回用户模式运行
@恢复任务上下文(TaskContext) 结束
OsKernelSVCHandler:@主要目的是保存ExcContext中除(R0~R12)的其他寄存器
ADD R0， SP， #(4 * 16) @跳转到保存PC，LR，SP的位置，此时R0位置刚好是SP的位置
MOV R5， R0 @由R5记录SP位置，因为R0要暂时充当SP寄存器来使用
STMFD R0!， {R4} @ Store PC => ExcContext.PC
STMFD R0!， {R4} @ 相当于保存了=> ExcContext.LR
STMFD R0!， {R5} @ 相当于保存了=> ExcContext.SP
STMFD SP!， {R3} @ Push task`s CPSR (i.e. exception SPSR). =>ExcContext.regPSR
SUB SP， SP， #(4 * 2) @ user sp and lr => =>ExcContext.USP，ULR
MOV R0， #OS_EXCEPT_SWI @ Set exception ID to OS_EXCEPT_SWI.
@ 设置异常ID为软中断
B _osExceptionSwi @ Branch to global exception handler.
@ 跳到全局异常处理解读：
- 运行到此处，已经切到SVC的栈运行，所以先保存上一个模式的现场
- 获取中断模式，软中断的来源可不一定是用户模式，完全有可能是SVC本身，比如系统调用中又发生系统调用。就变成了从SVC模式切到SVC的模式
- MOV R0， SP ;sp将作为参数传递给OsArmA32SyscallHandle
- 调用 OsArmA32SyscallHandle 这是所有系统调用的统一入口
- 注意看OsArmA32SyscallHandle的参数 UINT32 *regs
6. OsArmA32SyscallHandle
/* The SYSCALL ID is in R7 on entry. Parameters follow in R0..R6 */
/******************************************************************
由汇编调用，见于 los_hw_exc.S / BLX OsArmA32SyscallHandle
SYSCALL是产生系统调用时触发的信号，R7寄存器存放具体的系统调用ID，也叫系统调用号
regs:参数就是所有寄存器
注意:本函数在用户态和内核态下都可能被调用到
//MOV R0， SP @获取SP值，R0将作为OsArmA32SyscallHandle的参数
******************************************************************/
LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 *OsArmA32SyscallHandle(UINT32 *regs)
{
UINT32 ret;
UINT8 nArgs;
UINTPTR handle;
UINT32 cmd = regs[REG_R7];//C7寄存器记录了触发了具体哪个系统调用
if (cmd >= SYS_CALL_NUM) {//系统调用的总数
PRINT_ERR("Syscall ID: error %d !!!\n"， cmd);
return regs;
}
if (cmd == __NR_sigreturn) {//收到 __NR_sigreturn 信号
OsRestorSignalContext(regs);//恢复信号上下文
return regs;
}
handle = g_syscallHandle[cmd];//拿到系统调用的注册函数，类似 SysRead
nArgs = g_syscallNArgs[cmd / NARG_PER_BYTE]; /* 4bit per nargs */
nArgs = (cmd & 1) ？ (nArgs >> NARG_BITS) ：(nArgs & NARG_MASK);//获取参数个数
if ((handle == 0) || (nArgs > ARG_NUM_7)) {//系统调用必须有参数且参数不能大于8个
PRINT_ERR("Unsupport syscall ID: %d nArgs: %d\n"， cmd， nArgs);
regs[REG_R0] = -ENOSYS;
return regs;
}
//regs[0-6] 记录系统调用的参数，这也是由R7寄存器保存系统调用号的原因
switch (nArgs) {//参数的个数
case ARG_NUM_0:
case ARG_NUM_1:
ret = (*(SyscallFun1)handle)(regs[REG_R0]);//执行系统调用，类似 SysUnlink(pathname);
break;
case ARG_NUM_2://如何是两个参数的系统调用，这里传三个参数也没有问题，因被调用函数不会去取用R2值
case ARG_NUM_3:
ret = (*(SyscallFun3)handle)(regs[REG_R0]， regs[REG_R1]， regs[REG_R2]);//类似 SysExecve(fileName， argv， envp);
break;
case ARG_NUM_4:
case ARG_NUM_5:
ret = (*(SyscallFun5)handle)(regs[REG_R0]， regs[REG_R1]， regs[REG_R2]， regs[REG_R3]，
regs[REG_R4]);
break;
default: //7个参数的情况
ret = (*(SyscallFun7)handle)(regs[REG_R0]， regs[REG_R1]， regs[REG_R2]， regs[REG_R3]，
regs[REG_R4]， regs[REG_R5]， regs[REG_R6]);
}
regs[REG_R0] = ret;//R0保存系统调用返回值
OsSaveSignalContext(regs);//保存信号上下文现场
/* Return the last value of curent_regs. This supports context switches on return from the exception.
* That capability is only used with theSYS_context_switch system call.
*/
return regs;//返回寄存器的值
}解读：
- 参数是regs对应的就是R0~Rn
- R7保存的是系统调用号，R0~R3保存的是 SysMqOpen的四个参数
- g_syscallHandle[cmd]就能查询到 SYSCALL_HAND_DEF(__NR_mq_open， SysMqOpen， mqd_t， ARG_NUM_4)注册时对应的 SysMqOpen函数
- *(SyscallFun5)handle此时就是SysMqOpen
- 注意看 SysMqOpen 的参数是最开始的 main函数中的
- mqdes = mq_open(mqname， O_CREAT | O_RDWR， S_IRUSR | S_IWUSR， &attr);
- 由此完成了真正系统调用的过程
7. SysMqOpen
mqd_t SysMqOpen(const char *mqName， int openFlag， mode_t mode， struct mq_attr *attr)
{
mqd_t ret;
int retValue;
char kMqName[PATH_MAX + 1] = { 0 };
retValue = LOS_StrncpyFromUser(kMqName， mqName， PATH_MAX);
if (retValue < 0) {
return retValue;
}
ret = mq_open(kMqName， openFlag， mode， attr);//一个消息队列可以有多个进程向它读写消息
if (ret == -1) {
return (mqd_t)-get_errno();
}
return ret;
}
解读：
- 此处的mq_open和main函数的mq_open其实是两个函数体实现。一个是给应用层的调用，一个是内核层使用，只是名字一样而已。
- SysMqOpen是返回到 OsArmA32SyscallHandle regs[REG_R0] = ret;
- OsArmA32SyscallHandle再返回到 _osExceptSwiHdl
- _osExceptSwiHdl后面的代码是用于恢复用户模式现场和SPSR，PC 等寄存器。
以上为开源鸿蒙系统调用的整个过程。
关于寄存器(R0~R15)在每种模式下的使用方式，后续将由其他篇详细说明，敬请关注。
百文说内核 | 抓住主脉络
子曰：“诗三百，一言以蔽之，曰‘思无邪’。”——《论语》：为政篇。百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在开源鸿蒙内核源码加注释过程中，每每有心得处就整理，慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。
百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。百篇博客系列思维导图结构如下：
根据上图的思维导图，我们未来将要和大家一一分享以上大部分关键技术点的博客文章。
百万汉字注解.精读内核源码
如果大家觉得看文章不过瘾，想直接撸代码的话，可以去下面四大码仓围观同步注释内核源码：
gitee仓：
https://gitee.com/weharmony/kernel_liteos_a_note
github仓 ：
https://github.com/kuangyufei/kernel_liteos_a_note
codechina仓：
https://codechina.csdn.net/kuangyufei/kernel_liteos_a_note
coding仓：
https://weharmony.coding.net/public/harmony/kernel_liteos_a_note/git/files
写在最后
我们最近正带着大家玩嗨OpenHarmony。如果你有用OpenHarmony开发的好玩的东东，或者有对OpenHarmony的深度技术剖析，想通过我们平台让更多的小伙伴知道和分享的，欢迎投稿，让我们一起嗨起来！有点子，有想法，有Demo，立刻联系我们：
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