6.S081 Lab - System Calls

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实验指导：Lab - System Calls

实验任务

Using gdb

Looking at the backtrace output, which function called syscall?

bt 之后可以看出是 usertrap()。

What is the value of p->trapframe->a7 and what does that value represent?

  • 在 initCode.S 中可以看到 li a7, SYS_exec。a7 寄存器中存放的是 system call 的 ID。
  • 在执行完 *p = myproc() 之后 p /x $a7 打印出来的值是 0x7，查看系统调用表，它代表 SYS_fstat。
kernel/syscall.c
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static uint64 (*syscalls[])(void) = {
  [SYS_fork]    sys_fork,
  [SYS_exit]    sys_exit,
  [SYS_wait]    sys_wait,
  [SYS_pipe]    sys_pipe,
  [SYS_read]    sys_read,
  [SYS_kill]    sys_kill,
  [SYS_exec]    sys_exec,
  [SYS_fstat]   sys_fstat, // The 0x7-th syscall
  // ...
};

What was the previous mode that the CPU was in?

RISC-V privileged instructions 表示 「When a trap is taken, SPP is set to 0 if the trap originated from user mode, or 1 otherwise」。于是我们要看 SPP 位，SPP 位是 sstatus 寄存器的第八位。p /x $sstatus1 的结果是 0x20000022，第八个比特位是 0，于是可以确认是 user mode。

Write down the assembly instruction the kernel is panicing at. Which register corresponds to the variable num?

在 kernel.asm 中可以看到是这条：80001c6c: 00002683 lw a3,0(zero) # 0 <_entry-0x80000000>。指令是 lw，寄存器是 a3。

Why does the kernel crash? Hint: look at figure 3-3 in the text; is address 0 mapped in the kernel address space? Is that confirmed by the value in scause above?

VMA 0x0 (PMA 0x80000000) 在内核空间。scause = 0xd 是 Load page fault。应该是因为在用户态不能 dereference 内核空间的地址。

What is the name of the process that was running when the kernel paniced? What is its process id (pid)?

PID 是 0x1，进程名是 initcode。

System call tracing

这个 task 要求实现一个 syscall 来 trace 给定的 syscall。例如 trace 32 grep hello README 可以打印出 grep hello README 的进程和它所有的子进程的 read 调用，32 是 read 的掩码。这里的掩码（mask）可以用一个 32 位的数表示，每一位代表一个 syscall。xv6 总共的 syscall 的数量只有不到 32 个。

整理一下 xv6 syscall 的流程：

  • 用户程序调用 user/user.h 中的 syscall wrapper。这些 wrapper 的实现代码在 user/usys.S 中，这个汇编代码由 user/usys.pl 生成。
  • user/usys.pl 生成代码用 ecall 指令系统调用。
  • $stvec 寄存器中保存着响应代码的地址，当 ecall 被触发后跳转到 $stvec 指向的代码，即 tampoline.S。这一步是由硬件来完成的。在真正跳转到 $stvec 之前硬件会自动保存一些硬件上下文，例如 $sepc / $sstatus / $scause。
  • trampoline 的代码会保存用户上下文，然后跳转到 kernel/trap.c:usertrap。
  • kernel/trap.c:usertrap 调用 kernel/syscall.c:syscall 函数。这也验证了我们在第一个任务中看到的。
  • kernel/syscall.c:syscall 通过查表来确定和调用系统调用函数。
  • kernel/syscall.c:syscall 使用 kernel/syscall.c:usertrapret 结束调用，跳转到 trampoline 中的 userret。
  • userret 恢复用户状态，调用 sret 恢复硬件上下文（$sepc / $sstatus / $scause）并跳转到用户代码。
Xv6 System Call Flow
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user/user.h:syscall_wrapper_func
-> usys.S (generated by usys.pl)
-> ecall
-> $stvec (address of trampoline)
-> kernel/trampoline.S:trampoline
-> kernel/trap.c:usertrap
-> kernel/syscall.c:syscall
-> kernel/syscall.c:usertrapret
-> kernel/trampoline.S:userret
-> Go back to user mode code

所以，要给 xv6 加一个 trace 的 system call 需要首先在 user/user.h 中加入一个 wrapper 函数声明：

user/user.h
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int trace(int);

接着在 user/usys.pl 中加入一个入口点，让构建程序可以生成这个 wrapper 函数的定义：

user/usys.pl
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entry("trace");

编译之后可以看到 user/usys.S 中生成了函数的定义：

user/usys.S
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trace:
 li a7, SYS_trace
 ecall
 ret

对于 trampoline 和 usertrap 我们无需修改，下一步我们考虑让 kernel/syscall.c 支持 SYS_trace。首先在 kernel/syscall.h 中定义 SYS_trace：

kernel/syscall.h
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#define SYS_trace 22

然后在系统调用表中加入对这个函数的支持：

kernel/syscall.c
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extern uint64 sys_trace(void);

// ...

static uint64 (*syscalls[])(void) = {
  // ...
  [SYS_trace] = sys_trace,
};

下面来实现这个 syscall 的功能。这个 syscall 需要把 mask 放入 proc 结构中，好让其他 syscall 发生的时候查询 proc 结构中的 mask，来决定是否要 log 这个 syscall。

kernel/proc.h
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struct proc {
  // ...
  uint32 trace_mask;
};
kernel/sysproc.c
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uint64
sys_trace(void)
{
  int mask;
  argint(0, &mask);
  myproc()->trace_mask = mask;
  return 0;
}

接下来考虑 fork 的情况，让子进程也支持 trace 给定的 syscall，于是我们要在 fork 的时候把 mask 复制给子进程的 proc 结构。

kernel/proc.c
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int
fork(void)
{
  // ...
  // Copy the trace mask.
  np->trace_mask = p->trace_mask;
  return pid;
}

最后在 kernel/syscall.c:syscall 中根据条件来打印 trace：

kernel/syscall.c
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static char* syscalls_name[] = {
  [SYS_fork]   = "fork",
  [SYS_exit]   = "exit",
  [SYS_wait]   = "wait",
  [SYS_pipe]   = "pipe",
  [SYS_read]   = "read",
  [SYS_kill]   = "kill",
  [SYS_exec]   = "exec",
  [SYS_fstat]  = "fstat",
  [SYS_chdir]  = "chdir",
  [SYS_dup]    = "dup",
  [SYS_getpid] = "getpid",
  [SYS_sbrk]   = "sbrk",
  [SYS_sleep]  = "sleep",
  [SYS_uptime] = "uptime",
  [SYS_open]   = "open",
  [SYS_write]  = "write",
  [SYS_mknod]  = "mknod",
  [SYS_unlink] = "unlink",
  [SYS_link]   = "link",
  [SYS_mkdir]  = "mkdir",
  [SYS_close]  = "close",
  [SYS_trace]  = "trace",
};

void
syscall(void)
{
  int num;
  struct proc *p = myproc();

  // ...

  if (p->trace_mask && (p->trace_mask & (1 << (num)))) {
    printf("%d: syscall %s -> %d\n", p->pid, syscalls_name[num], (int)p->trapframe->a0);
  }
}

搞定！

Attack xv6

// 未完待续...