fork函数是用于在linux系统中创建进程所使用，而最近看了看一个fork()调用是怎么从应用到glibc，最后到内核中实现的，这片文章就聊聊最近对这方面研究的收获吧。我们主要聊聊从glibc库进入内核，再从内核出来的情景，而从应用到glibc这部分本片文章就不详细说明了。为了方便期间，我们的硬件平台为arm，linux内核为3.18.3，glibc库版本为2.20，可从下载源码。
Glibc到kernel
我们设定硬件平台为arm，glibc库版本为2.20，因为不同的CPU体系结构中，glibc库通过系统调用进入kernel库的方法是不一样的。当glibc准备进入kernel时，流程如下
1 /* glibc最后会调用到一个INLINE_SYSCALL宏，参数如下 */
2 INLINE_SYSCALL (clone, 5, CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD, NULL, NULL, NULL, &THREAD_SELF->tid)；
3
4 /* INLINE_SYSCALL的宏定义如下,可以看出在INLINE_SYSCALL宏中又使用到了INTERNAL_SYSCALL宏，而INTERNAL_SYSCALL宏最终会调用INTERNAL_SYSCALL_RAW */
5 #define INLINE_SYSCALL(name, nr, args...) \
6 ({ unsigned int _sys_result = INTERNAL_SYSCALL (name, , nr, args); \
7 if (__builtin_expect (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (_sys_result, ), 0)) \
8 { \
9 __set_errno (INTERNAL_SYSCALL_ERRNO (_sys_result, )); \
10 _sys_result = (unsigned int) -1; \
11 } \
12 (int) _sys_result; })
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14 /* 为了方便大家理解，将此宏写为伪代码形式 */
15 int INLINE_SYSCALL (name, nr, args...)
16 {
17 unsigned int _sys_result = INTERNAL_SYSCALL (name, , nr, args);
18
19 if (__builtin_expect (INTERNAL_SYSCALL_ERROR_P (_sys_result, ), 0)) {
20 __set_error (INTERNAL_SYSCALL_ERRNO (_sys_result, ));
21 _sys_result = (unsigned int) -1;
22 }
23 return (int)_sys_result;
24 }
25
26 /* 这里我们不需要看INTERNAL_SYSCALL宏，只需要看其最终调用的INTERNAL_SYSCALL_RAW宏，需要注意的是，INTERNAL_SYSCALL调用INTERNAL_SYSCALL_RAW时，通过SYS_ify(name)宏将name转为了系统调用号
27 * name: 120（通过SYS_ify(name)宏已经将clone转为了系统调用号120）
28 * err: NULL
29 * nr: 5
30 * args[0]: CLONE_CHILD_SETTID | CLONE_CHILD_CLEARTID | SIGCHLD
31 * args[1]: NULL
32 * args[2]: NULL
33 * args[3]: NULL
34 * args[4]: &THREAD_SELF->tid
35 */
36 # define INTERNAL_SYSCALL_RAW(name, err, nr, args...) \
37 ({ \
38 register int _a1 asm ("r0"), _nr asm ("r7"); \
39 LOAD_ARGS_##nr (args) \
40 _nr = name; \
41 asm volatile ("swi 0x0 @ syscall " #name \
42 : "=r" (_a1) \
43 : "r" (_nr) ASM_ARGS_##nr \
44 : "memory"); \
45 _a1; })
46 #endif
INTERNAL_SYSCALL_RAW实现的结果就是将args[0]存到了r0...args[4]存到了r4中，并将name(120)绑定到r7寄存器。然后通过swi 0x0指令进行了软中断。0x0是一个24位的立即数，用于软中断执行程序判断执行什么操作。当执行这条指令时，CPU会跳转至中断向量表的软中断指令处，执行该处保存的调用函数，而在函数中会根据swi后面的24位立即数(在我们的例子中是0x0)执行不同操作。在这时候CPU已经处于保护模式，陷入内核中。现在进入到linux内核中后，具体看此时内核是怎么操作的吧。
1 /* 源文件地址: 内核目录/arch/arm/kernel/entry-common.S */
2
3 ENTRY(vector_swi)
4 /*
5 * 保存现场
6 */
7 #ifdef CONFIG_CPU_V7M
8 v7m_exception_entry
9 #else
10 sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE
11 stmia sp, {r0 - r12} @ 将r0~r12保存到栈中
12 ARM( add r8, sp, #S_PC )
13 ARM( stmdb r8, {sp, lr}^ ) @ Calling sp, lr
14 THUMB( mov r8, sp )
15 THUMB( store_user_sp_lr r8, r10, S_SP ) @ calling sp, lr
16 mrs r8, spsr @ called from non-FIQ mode, so ok.
17 str lr, [sp, #S_PC] @ Save calling PC
18 str r8, [sp, #S_PSR] @ Save CPSR
19 str r0, [sp, #S_OLD_R0] @ Save OLD_R0
20 #endif
21 zero_fp
22 alignment_trap r10, ip, __cr_alignment
23 enable_irq
24 ct_user_exit
25 get_thread_info tsk
26
27 /*
28 * 以下代码根据不同arm体系结构获取系统调用号
29 */
30
31 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)
32
33 /*
34 * 如果内核配置了OABI兼容选项，会先判断是否为THUMB，以下为THUMB情况（我们分析的时候可以忽略这段，一般情况是不走这一段的）
35 */
36 #ifdef CONFIG_ARM_THUMB
37 tst r8, #PSR_T_BIT
38 movne r10, #0 @ no thumb OABI emulation
39 USER( ldreq r10, [lr, #-4] ) @ get SWI instruction
40 #else
41 USER( ldr r10, [lr, #-4] ) @ get SWI instruction
42 #endif
43 ARM_BE8(rev r10, r10) @ little endian instruction
44
45 #elif defined(CONFIG_AEABI)
46
47 /*
48 * 我们主要看这里，EABI将系统调用号保存在r7中
49 */
50 #elif defined(CONFIG_ARM_THUMB)
51 /* 先判断是否为THUMB模式 */
52 tst r8, #PSR_T_BIT
53 addne scno, r7, #__NR_SYSCALL_BASE
54 USER( ldreq scno, [lr, #-4] )
55
56 #else
57 /* EABI模式 */
58 USER( ldr scno, [lr, #-4] ) @ 获取系统调用号
59 #endif
60
61 adr tbl, sys_call_table @ tbl为r8，这里是将sys_call_table的地址(相对于此指令的偏移量)存入r8
62
63 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT)
64 /*
65 * 在EABI体系中，如果swi跟着的立即数为0，这段代码不做处理，而如果是old abi体系，则根据系统调用号调用old abi体系的系统调用表(sys_oabi_call_table)
66 * 其实说白了，在EABI体系中，系统调用时使用swi 0x0进行软中断，r7寄存器保存系统调用号
67 * 而old abi体系中，是通过swi (系统调用号|magic)进行调用的
68 */
69 bics r10, r10, #0xff000000
70 eorne scno, r10, #__NR_OABI_SYSCALL_BASE
71 ldrne tbl, =sys_oabi_call_table
72 #elif !defined(CONFIG_AEABI)
73 bic scno, scno, #0xff000000
74 eor scno, scno, #__NR_SYSCALL_BASE
75 #endif
76
77 local_restart:
78 ldr r10, [tsk, #TI_FLAGS] @ 检查系统调用跟踪
79 stmdb {r4, r5} @ 将第5和第6个参数压入栈
80
81 tst r10, #_TIF_SYSCALL_WORK @ 判断是否在跟踪系统调用
82 bne __sys_trace
83
84 cmp scno, #NR_syscalls @ 检测系统调用号是否在范围内，NR_syscalls保存系统调用总数
85 adr lr, BSYM(ret_fast_syscall) @ 将返回地址保存到lr寄存器中，lr寄存器是用于函数返回的。
86 ldrcc pc, [tbl, scno, lsl #2] @ 调用相应系统调用例程，tbl(r8)保存着系统调用表(sys_call_table)地址，scno(r7)保存着系统调用号120，这里就转到相应的处理例程上了。
87
88 add r1, sp, #S_OFF
89 2: cmp scno, #(__ARM_NR_BASE - __NR_SYSCALL_BASE)
90 eor r0, scno, #__NR_SYSCALL_BASE @ put OS number back
91 bcs arm_syscall
92 mov why, #0 @ no longer a real syscall
93 b sys_ni_syscall @ not private func
94
95 #if defined(CONFIG_OABI_COMPAT) || !defined(CONFIG_AEABI)
96 /*
97 * We failed to handle a fault trying to access the page
98 * containing the swi instruction, but we're not really in a
99 * position to return -EFAULT. Instead, return back to the
100 * instruction and re-enter the user fault handling path trying
101 * to page it in. This will likely result in sending SEGV to the
102 * current task.
103 */
104 9001:
105 sub lr, lr, #4
106 str lr, [sp, #S_PC]
107 b ret_fast_syscall
108 #endif
109 ENDPROC(vector_swi) @ 返回
好的，终于跳转到了系统调用表，现在我们看看系统调用表是怎么样的一个形式