Linux 核心學習系統呼叫（fork）

昨天花了一天的時間在看linux0.11的核心，當看到main.c中的int()函式的時候被乙個系統呼叫難倒了（其實筆者的c，彙編等基礎並不是很厲害。但是處於某些原因，就入了這個核心的坑，被澆冷水是經常的事情）。於是各種資料各種搜尋，但是大家給出的資料都是千篇一律，不是一開始就介紹什麼是系統呼叫，就是沒有切實的去一句一句的剖析系統呼叫的原理，反正就是巴拉巴拉說的基本都是一樣，看下來還是什麼都不懂…… ps：可能是筆者真的太渣，沒辦法理解。

於是我便自己看是研究了，首先是從init哪那裡開始，針對fork()這個系統呼叫開始了深入的研究（其實也不是很深入了，哈哈哈）。跟蹤它實現的過程，我想現在或者以後也會有人遇到跟我類似的問題，再加上想更加鞏固一下掌握的知識，就著手寫了這篇博了，那麼開始正題吧！

首先要說的是，我們現在針對的是linux0.11版本核心中的fork()系統呼叫來對系統呼叫做分析。

當呼叫fork()函式時，在main.c中的init()函式中就出現了fork()的呼叫：

// 下面fork()用於建立乙個子程序(子任務)。對於被建立的子程序，fork()將返回0 值，
// 對於原(父程序)將返回子程序的程序號。所以180-184 句是子程序執行的內容。該子程序
// 關閉了控制代碼0(stdin)，以唯讀方式開啟/etc/rc 檔案，並執行/bin/sh 程式，所帶引數和
// 環境變數分別由argv_rc 和envp_rc 陣列給出。參見後面的描述。
if (!(pid = fork ()))

大家應該都知道這個函式，確切的說應該是系統呼叫是用來建立乙個新程序的。但是大家會發現核心裡面根本找不到這個函式的具體原型，那它到底是怎麼實現的呢？我們可以用編輯器檢視的定義，我用的是source insight 3 ,發現在unistd中有它的函式原型定義：

int fork (void);// 對應各系統呼叫的函式原型定義。在檔案下的第235行

但是我們只能找到這個函式原型定義，卻找不到它的源。還是在這個檔案中有這樣一些函式定義：

// 以下定義系統呼叫嵌入式彙編巨集函式。 // 不帶引數的系統呼叫巨集函式。type name(void)。 // %0 - eax(__res)，%1 - eax(__nr_##name)。其中name 是系統呼叫的名稱，與 __nr_ 組合形成上面 // 的系統呼叫符號常數，從而用來對系統呼叫表中函式指標定址。 // 返回：如果返回值大於等於0，則返回該值，否則置出錯號errno，並返回-1。 #define _syscall0(type,name) \ type name(void) \

剛看到這個嵌入彙編語句的c程式的時候也是一頭霧水，不知所云，但是根據注釋發現這可能跟系統呼叫有很大的關係，但是就是不清楚這個syscall（後面的0,1,2……表示的是所帶的引數，這裡暫且統稱為syscall吧）函式和fork函式的關係。後來通過一番死纏爛打的無賴詢問和翻閱書籍發現是這樣一回事：

在使用這些系統呼叫的檔案中會有這樣一些宣告，比如在main中：

/*
* 我們需要下面這些內嵌語句 - 從核心空間建立程序(forking)將導致沒有寫時複製（copy on write）!!!
* 直到乙個執行execve 呼叫。這對堆疊可能帶來問題。處理的方法是在fork()呼叫之後不讓main()使用
* 任何堆疊。因此就不能有函式呼叫 - 這意味著fork 也要使用內嵌的**，否則我們在從fork()退出
* 時就要使用堆疊了。
* 實際上只有pause 和fork 需要使用內嵌方式，以保證從main()中不會弄亂堆疊，但是我們同時還
* 定義了其它一些函式。
*/static inline
_syscall0 (int, fork)		// 是unistd.h 中的內嵌巨集**。以嵌入彙編的形式呼叫
// linux 的系統呼叫中斷0x80。該中斷是所有系統呼叫的
// 入口。該條語句實際上是int fork()建立程序系統呼叫。
// syscall0 名稱中最後的0 表示無引數，1 表示1 個引數。
static inline _syscall0 (int, pause)	// int pause()系統呼叫：暫停程序的執行，直到
// 收到乙個訊號。
static inline _syscall1 (int, setup, void *, bios)	// int setup(void * bios)系統呼叫，僅用於
// linux 初始化（僅在這個程式中被呼叫）。
static inline _syscall0 (int, sync)	// int sync()系統呼叫：更新檔案系統。

可以看到，這裡有乙個static inline _syscall0(int,fork)，這樣的宣告，很明顯這就是fork（）和syscall（）之間的聯絡了。如果還是不明顯可以這樣，把宣告，巨集函式全部按照順序進行展開，把

staticinline_syscall0(int,fork)帶到syscall0函式中去，然後把巨集替換掉就會變成這樣的乙個函式：

void fork(void)

哈哈，沒錯這就是fork（）函式了，在呼叫fork之前我們要在當前檔案下先進行上面main中的那樣宣告，這就是建立和呼叫了fork函式（可能這樣做的原因是減少系統**量吧，如果每個系統呼叫都要像函式那樣去宣告的話，如有60個系統呼叫，那麼就要有60個這樣的函式，如果用這樣的方法的話，那就只有短短幾個函式加上一些函式宣告了。可能這只是其中之一）。

那這個函式是如何工作的呢？

在上面的內嵌彙編語句中我們可以看到這樣的一些語句，其實上面也有詳細的說明我就不多解釋。系統呼叫要通過0x80中斷來實現，int $0x80就是呼叫0x80中斷的意思，返回值是__res，函系統中斷呼叫號是__nr_和name的鏈結，如果nam是fork的話，那系統呼叫號就是__nr_fork啦。系統呼叫號是在sys.h標頭檔案中（擷取）：

extern int sys_setup ();	// 系統啟動初始化設定函式。 (kernel/blk_drv/hd.c,71)
extern int sys_exit ();		// 程式退出。 (kernel/exit.c, 137)
extern int sys_fork ();		// 建立程序。 (kernel/system_call.s, 208)
extern int sys_read ();		// 讀檔案。 (fs/read_write.c, 55)
extern int sys_write ();	// 寫檔案。 (fs/read_write.c, 83)
extern int sys_open ();		// 開啟檔案。 (fs/open.c, 138)
// 系統呼叫函式指標表。用於系統呼叫中斷處理程式(int 0x80)，作為跳轉表。
fn_ptr sys_call_table = ;

其實__nr_fork對應的巨集定義是2，也就對應的是fn_ptr sys_call_table中的2號——sys_fork，這樣一來fork系統呼叫的具體實現也就轉到了sys_fork這個函式中來了。這個函式的位置就是

址 = _sys_call_table + %eax * 4。（未查證，其他博文中看到的）。接下來就是在核心狀態下的系統呼叫具體實現了。

其實最關鍵的還是在理解：

__asm__ volatile ( "int $0x80" :"=a" (__res) :"" (__nr_fork));

linux系統中斷處理程式int 0x80實現原理

gcc在c語言中內嵌彙編 call _volasile_

linux核心——fork()函式建立程序

linux系統呼叫的實現技術

系統呼叫的實現原理

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Linux核心學習筆記四系統呼叫

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