面试题：C内核模块开发与系统调用封装关联

Question

在C内核模块开发中，如何创建一个新的系统调用，并将已有的C语言系统调用封装与之关联？请详细描述从内核模块初始化、系统调用注册，到在用户空间如何正确调用新系统调用的整个流程，并分析可能遇到的问题及解决方案。

Answer 1

1. 内核模块初始化

1. 引入必要头文件 在C内核模块代码文件开头，引入必要的头文件，例如：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/syscalls.h>

2. 定义系统调用函数 定义新的系统调用函数，例如：

asmlinkage long new_syscall_function(void) {
    // 这里是系统调用的具体实现代码
    printk(KERN_INFO "New system call is called.\n");
    return 0;
}

asmlinkage 关键字用于指定该函数仅从栈获取参数，内核空间调用惯例。

3. 初始化函数 编写内核模块的初始化函数，在其中注册系统调用：

static int __init new_syscall_init(void) {
    long *sys_call_table = (long *)sys_call_table;
    sys_call_table[__NR_new_syscall] = (unsigned long)new_syscall_function;
    printk(KERN_INFO "New system call registered.\n");
    return 0;
}
module_init(new_syscall_init);

这里假设 __NR_new_syscall 是自定义系统调用号，需要注意的是，直接访问 sys_call_table 在一些内核版本可能不被允许，需要通过其他方法获取其地址，如利用 kallsyms_lookup_name 函数。

2. 系统调用注册

1. 分配系统调用号 在内核源码树的 include/uapi/asm-generic/unistd.h 文件中，为新系统调用分配一个系统调用号，例如：

#define __NR_new_syscall (__NR_SYSCALL_BASE + 350)

其中 __NR_SYSCALL_BASE 是系统调用号的基准值，不同架构可能不同。

2. 更新系统调用表 如上述初始化函数中所做，将新系统调用函数指针更新到系统调用表 sys_call_table 中。

3. 用户空间调用新系统调用

1. 编写用户空间代码

#include <stdio.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>
#include <linux/unistd.h>

#define __NR_new_syscall 350

int main() {
    long result = syscall(__NR_new_syscall);
    if (result == 0) {
        printf("New system call executed successfully.\n");
    } else {
        printf("New system call failed.\n");
    }
    return 0;
}

2. 编译与运行 编译用户空间代码并运行，例如：

gcc -o new_syscall_test new_syscall_test.c
./new_syscall_test

4. 可能遇到的问题及解决方案

1. 系统调用号冲突

• 问题：分配的系统调用号与已有的系统调用号冲突，导致系统调用混乱。
• 解决方案：仔细检查 unistd.h 文件，确保分配的系统调用号没有被占用。可以选择一个较大且未使用的号段。

2. 内核版本兼容性

• 问题：不同的内核版本可能对系统调用注册和访问方式有差异，例如直接访问 sys_call_table 在新内核版本可能不被允许。
• 解决方案：使用内核提供的标准接口，如 register_syscall 等函数（如果存在），或者通过 kallsyms_lookup_name 函数获取 sys_call_table 地址，并且根据不同内核版本进行条件编译。

3. 权限问题

• 问题：用户空间调用系统调用时可能因权限不足而失败。
• 解决方案：确保用户具有足够的权限运行包含新系统调用的程序，例如以 root 权限运行，或者在 SELinux 环境下正确配置安全策略。