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Linux 2.6 对新型 CPU 快速系统调用的支持

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前言

在 Linux 2.4 内核中,用户态 Ring3 代码请求内核态 Ring0 代码完成某些功能是通过系统调用完成的,而系统调用的是通过软中断指令(int 0x80)实现的。在 x86 保护模式中,处理 INT 中断指令时,CPU 首先从中断描述表 IDT 取出对应的门描述符,判断门描述符的种类,然后检查门描述符的级别 DPL 和 INT 指令调用者的级别 CPL,当 CPL<=DPL 也就是说 INT 调用者级别高于描述符指定级别时,才能成功调用,最后再根据描述符的内容,进行压栈、跳转、权限级别提升。内核代码执行完毕之后,调用 IRET 指令返回,IRET 指令恢复用户栈,并跳转会低级别的代码。

其实,在发生系统调用,由 Ring3 进入 Ring0 的这个过程浪费了不少的 CPU 周期,例如,系统调用必然需要由 Ring3 进入 Ring0(由内核调用 INT 指令的方式除外,这多半属于 Hacker 的内核模块所为),权限提升之前和之后的级别是固定的,CPL 肯定是 3,而 INT 80 的 DPL 肯定也是 3,这样 CPU 检查门描述符的 DPL 和调用者的 CPL 就是完全没必要。正是由于如此,Intel x86 CPU 从 PII 300(Family 6,Model 3,Stepping 3)之后,开始支持新的系统调用指令 sysenter/sysexit。sysenter 指令用于由 Ring3 进入 Ring0,SYSEXIT 指令用于由 Ring0 返回 Ring3。由于没有特权级别检查的处理,也没有压栈的操作,所以执行速度比 INT n/IRET 快了不少。

不同系统调用方式的性能比较:

下面是一些来自互联网的有关 sysenter/sysexit 指令和 INT n/IRET 指令在 Intel Pentium CPU 上的性能对比:

表1:系统调用性能测试测试硬件:Intel® Pentium® III CPU, 450 MHzProcessor Family: 6 Model: 7 Stepping: 2

 用户模式花费的时间核心模式花费的时间
基于 sysenter/sysexit 指令的系统调用9.833 microseconds6.833 microseconds
基于中断 INT n 指令的系统调用17.500 microseconds7.000 microseconds

数据来源:[1]

数据来源:[2]
数据来源:[2]
数据来源:[2]

表2:各种 CPU 上 INT 0x80 和 SYSENTER 执行速度的比较

CPUInt0x80sysenter
Athlon XP 1600+277169
800MHz mode 1 athlon279170
2.8GHz p4 northwood ht1152442

上述数据为对 100000 次 getppid() 系统调用所花费的 CPU 时钟周期取的平均值
数据来源[3]

自这种技术推出之后,人们一直在考虑在 Linux 中加入对这种指令的支持,在 Kernel.org 的邮件列表中,主题为 "Intel P6 vs P7 system call performance" 的大量邮件讨论了采用这种指令的必要性,邮件中列举的理由主要是 Intel 在 Pentium 4 的设计上存在问题,造成 Pentium 4 使用中断方式执行的系统调用比 Pentium 3 以及 AMD Athlon 所耗费的 CPU 时钟周期多上 5~10 倍。因此,在 Pentium 4 平台上,通过 sysenter/sysexit 指令来执行系统调用已经是刻不容缓的需求。

sysenter/sysexit 系统调用的机制:

在 Intel 的软件开发者手册第二、三卷(Vol.2B,Vol.3)中,4.8.7 节是关于 sysenter/sysexit 指令的详细描述。手册中说明,sysenter 指令可用于特权级 3 的用户代码调用特权级 0 的系统内核代码,而 SYSEXIT 指令则用于特权级 0 的系统代码返回用户空间中。sysenter 指令可以在 3,2,1 这三个特权级别调用(Linux 中只用到了特权级 3),而 SYSEXIT 指令只能从特权级 0 调用。

执行 sysenter 指令的系统必须满足两个条件:1.目标 Ring 0 代码段必须是平坦模式(Flat Mode)的 4GB 的可读可执行的非一致代码段。2.目标 RING0 堆栈段必须是平坦模式(Flat Mode)的 4GB 的可读可写向上扩展的栈段。

在 Intel 的手册中,还提到了 sysenter/sysexit 和 int n/iret 指令的一个区别,那就是 sysenter/sysexit 指令并不成对,sysenter 指令并不会把 SYSEXIT 所需的返回地址压栈,sysexit 返回的地址并不一定是 sysenter 指令的下一个指令地址。调用 sysenter/sysexit 指令地址的跳转是通过设置一组特殊寄存器实现的。这些寄存器包括:

SYSENTER_CS_MSR - 用于指定要执行的 Ring 0 代码的代码段选择符,由它还能得出目标 Ring 0 所用堆栈段的段选择符;

SYSENTER_EIP_MSR - 用于指定要执行的 Ring 0 代码的起始地址;

SYSENTER_ESP_MSR-用于指定要执行的Ring 0代码所使用的栈指针

这些寄存器可以通过 wrmsr 指令来设置,执行 wrmsr 指令时,通过寄存器 edx、eax 指定设置的值,edx 指定值的高 32 位,eax 指定值的低 32 位,在设置上述寄存器时,edx 都是 0,通过寄存器 ecx 指定填充的 MSR 寄存器,sysenter_CS_MSR、sysenter_ESP_MSR、sysenter_EIP_MSR 寄存器分别对应 0x174、0x175、0x176,需要注意的是,wrmsr 指令只能在 Ring 0 执行。

这里还要介绍一个特性,就是 Ring0、Ring3 的代码段描述符和堆栈段描述符在全局描述符表 GDT 中是顺序排列的,这样只需知道 SYSENTER_CS_MSR 中指定的 Ring0 的代码段描述符,就可以推算出 Ring0 的堆栈段描述符以及 Ring3 的代码段描述符和堆栈段描述符。

在 Ring3 的代码调用了 sysenter 指令之后,CPU 会做出如下的操作:

1. 将 SYSENTER_CS_MSR 的值装载到 cs 寄存器

2. 将 SYSENTER_EIP_MSR 的值装载到 eip 寄存器

3. 将 SYSENTER_CS_MSR 的值加 8(Ring0 的堆栈段描述符)装载到 ss 寄存器。

4. 将 SYSENTER_ESP_MSR 的值装载到 esp 寄存器

5. 将特权级切换到 Ring0

6. 如果 EFLAGS 寄存器的 VM 标志被置位,则清除该标志

7. 开始执行指定的 Ring0 代码

在 Ring0 代码执行完毕,调用 SYSEXIT 指令退回 Ring3 时,CPU 会做出如下操作:

1. 将 SYSENTER_CS_MSR 的值加 16(Ring3 的代码段描述符)装载到 cs 寄存器

2. 将寄存器 edx 的值装载到 eip 寄存器

3. 将 SYSENTER_CS_MSR 的值加 24(Ring3 的堆栈段描述符)装载到 ss 寄存器

4. 将寄存器 ecx 的值装载到 esp 寄存器

5. 将特权级切换到 Ring3

6. 继续执行 Ring3 的代码

由此可知,在调用 SYSENTER 进入 Ring0 之前,一定需要通过 wrmsr 指令设置好 Ring0 代码的相关信息,在调用 SYSEXIT 之前,还要保证寄存器edx、ecx 的正确性。

如何得知 CPU 是否支持 sysenter/sysexit 指令

根据 Intel 的 CPU 手册,我们可以通过 CPUID 指令来查看 CPU 是否支持 sysenter/sysexit 指令,做法是将 EAX 寄存器赋值 1,调用 CPUID 指令,寄存器 edx 中第 11 位(这一位名称为 SEP)就表示是否支持。在调用 CPUID 指令之后,还需要查看 CPU 的 Family、Model、Stepping 属性来确认,因为据称 Pentium Pro 处理器会报告 SEP 但是却不支持 sysenter/sysexit 指令。只有 Family 大于等于 6,Model 大于等于 3,Stepping 大于等于 3 的时候,才能确认 CPU 支持 sysenter/sysexit 指令。

Linux 对 sysenter/sysexit 系统调用方式的支持

在 2.4 内核中,直到最近的发布的 2.4.26-rc2 版本,没有加入对 sysenter/sysexit 指令的支持。而对 sysenter/sysexit 指令的支持最早是2002 年,由 Linus Torvalds 编写并首次加入 2.5 版内核中的,经过多方测试和多次 patch,最终正式加入到了 2.6 版本的内核中。

http://kerneltrap.org/node/view/531/1996

http://lwn.net/Articles/18414/

具体谈到系统调用的完成,不能孤立的看内核的代码,我们知道,系统调用多被封装成库函数提供给应用程序调用,应用程序调用库函数后,由 glibc 库负责进入内核调用系统调用函数。在 2.4 内核加上老版的 glibc 的情况下,库函数所做的就是通过 int 指令来完成系统调用,而内核提供的系统调用接口很简单,只要在 IDT 中提供 INT 0x80 的入口,库就可以完成中断调用。

在 2.6 内核中,内核代码同时包含了对 int 0x80 中断方式和 sysenter 指令方式调用的支持,因此内核会给用户空间提供一段入口代码,内核启动时根据 CPU 类型,决定这段代码采取哪种系统调用方式。对于 glibc 来说,无需考虑系统调用方式,直接调用这段入口代码,即可完成系统调用。这样做还可以尽量减少对 glibc 的改动,在 glibc 的源码中,只需将 "int $0x80" 指令替换成 "call 入口地址" 即可。

下面,以 2.6.0 的内核代码配合支持 SYSENTER 调用方式的 glibc2.3.3 为例,分析一下系统调用的具体实现。

内核在启动时做的准备

前面说到的这段入口代码,根据调用方式分为两个文件,支持 sysenter 指令的代码包含在文件 arch/i386/kernel/vsyscall-sysenter.S 中,支持int中断的代码包含在arch/i386/kernel/vsyscall-int80.S中,入口名都是__kernel_vsyscall,这两个文件编译出的二进制代码由arch/i386/kernel/vsyscall.S所包含,并导出起始地址和结束地址。

2.6内核在启动的时候,调用了新增的函数sysenter_setup(参见arch/i386/kernel/sysenter.c),在这个函数中,内核将虚拟内存空间的顶端一个固定地址页面(从0xffffe000开始到0xffffeffff的4k大小)映射到一个空闲的物理内存页面。然后通过之前执行CPUID的指令得到的数据,检测CPU是否支持sysenter/sysexit指令。如果CPU不支持,那么将采用INT调用方式的入口代码拷贝到这个页面中,然后返回。相反,如果CPU支持SYSETER/SYSEXIT指令,则将采用SYSENTER调用方式的入口代码拷贝到这个页面中。使用宏on_each_cpu在每个CPU上执行enable_sep_cpu这个函数。

在enable_sep_cpu函数中,内核将当前CPU的TSS结构中的ss1设置为当前内核使用的代码段,esp1设置为该TSS结构中保留的一个256字节大小的堆栈。在X86中,TSS结构中ss1和esp1本来是用于保存Ring 1进程的堆栈段和堆栈指针的。由于内核在启动时,并不能预知调用sysenter指令进入Ring 0后esp的确切值,而应用程序又无权调用wrmsr指令动态设置,所以此时就借用esp1指向一个固定的缓冲区来填充这个MSR寄存器,由于Ring 1根本没被启用,所以并不会对系统造成任何影响。在下面的文章中会介绍进入Ring 0之后,内核如何修复ESP来指向正确的Ring 0堆栈。关于TSS结构更细节的应用可参考代码include/asm-i386/processor.h)。

然后,内核通过wrmsr(msr,val1,val2)宏调用wrmsr指令对当前CPU设置MSR寄存器,可以看出调用宏的第三个参数即edx都被设置为0。其中SYSENTER_CS_MSR的值被设置为当前内核用的所在代码段;SYSENTER_ESP_MSR被设置为esp1,即指向当前CPU的TSS结构中的堆栈;SYSENTER_EIP_MSR则被设置为内核中处理sysenter指令的接口函数sysenter_entry(参见arch/i386/kernel/entry.S)。这样,sysenter指令的准备工作就完成了。

通过内核在启动时进行这样的设置,在每个进程的进程空间中,都能访问到内核所映射的这个代码页面,当然这个页面对于应用程序来说是只读的。我们通过新版的ldd工具查看任意一个可执行程序,可以看到下面的结果:

[root@test]# file dynamic
dynamic: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), 
for GNU/Linux 2.2.5, dynamically linked (uses shared libs), not stripped
[root@test]# ldd dynamic
        linux-gate.so.1 =>  (0xffffe000)
        libc.so.6 => /lib/tls/libc.so.6 (0x4002c000)
        /lib/ld-linux.so.2 => /lib/ld-linux.so.2 (0x40000000)

这个所谓的"linux-gate.so.1"的内容就是内核映射的代码,系统中其实并不存在这样一个链接库文件,它的名字是由ldd自己起的,而在老版本的ldd中,虽然能够检测到这段代码,但是由于没有命名而且在系统中找不到对应链接库文件,所以会有一些显示上的问题。有关这个问题的背景,可以参考下面这个网址: http://sources.redhat.com/ml/libc-alpha/2003-09/msg00263.html

由用户态经库函数进入内核态

为了配合内核使用新的系统调用方式,glibc中要做一定的修改。新的glibc-2.3.2(及其以后版本中)中已经包含了这个改动,在glibc源代码的sysdeps/unix/sysv/linux/i386/sysdep.h文件中,处理系统调用的宏INTERNAL_SYSCALL在不同的编译选项下有不同的结果。在打开支持sysenter/sysexit指令的选项I386_USE_SYSENTER下,系统调用会有两种方式,在静态链接(编译时加上-static选项)情况下,采用"call *_dl_sysinfo"指令;在动态链接情况下,采用"call *%gs:0x10"指令。这两种情况由glibc库采用哪种方法链接,实际上最终都相当于调用某个固定地址的代码。下面我们通过一个小小的程序,配合gdb来验证。

首先是一个静态编译的程序,代码很简单:

main()
{
 getuid();
}

将代码加上static选项用gcc静态编译,然后用gdb装载并反编译main函数。

[root@test opt]# gcc test.c -o ./static -static
[root@test opt]# gdb ./static
(gdb) disassemble main
0x08048204 <main+0>:    push   %ebp
0x08048205 <main+1>:    mov    %esp,%ebp
0x08048207 <main+3>:    sub    $0x8,%esp
0x0804820a <main+6>:    and    $0xfffffff0,%esp
0x0804820d <main+9>:    mov    $0x0,%eax
0x08048212 <main+14>:   sub    %eax,%esp
0x08048214 <main+16>:   call   0x804cb20 <__getuid>
0x08048219 <main+21>:   leave
0x0804821a <main+22>:   ret

可以看出,main函数中调用了__getuid函数,接着反编译__getuid函数。

(gdb) disassemble 0x804cb20
0x0804cb20 <__getuid+0>:        push   %ebp
0x0804cb21 <__getuid+1>:        mov    0x80aa028,%eax
0x0804cb26 <__getuid+6>:        mov    %esp,%ebp
0x0804cb28 <__getuid+8>:        test   %eax,%eax
0x0804cb2a <__getuid+10>:       jle    0x804cb40 <__getuid+32>
0x0804cb2c <__getuid+12>:       mov    $0x18,%eax
0x0804cb31 <__getuid+17>:       call   *0x80aa054
0x0804cb37 <__getuid+23>:       pop    %ebp
0x0804cb38 <__getuid+24>:       ret

上面只是__getuid函数的一部分。可以看到__getuid将eax寄存器赋值为getuid系统调用的功能号0x18然后调用了另一个函数,这个函数的入口在哪里呢?接着查看位于地址0x80aa054的值。

(gdb) X 0x80aa054
0x80aa054 <_dl_sysinfo>:        0x0804d7f6

看起来不像是指向内核映射页面内的代码,但是,可以确认,__dl_sysinfo指针的指向的地址就是0x80aa054。下面,我们试着启动这个程序,然后停在程序第一条语句,再查看这个地方的值。

(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x804820a
(gdb) r
Starting program: /opt/static
Breakpoint 1, 0x0804820a in main ()
(gdb) X 0x80aa054
0x80aa054 <_dl_sysinfo>:        0xffffe400

可以看到,_dl_sysinfo指针指向的数值已经发生了变化,指向了0xffffe400,如果我们继续运行程序,__getuid函数将会调用地址0xffffe400处的代码。

接下来,我们将上面的代码编译成动态链接的方式,即默认方式,用gdb装载并反编译main函数

[root@test opt]# gcc test.c -o ./dynamic
[root@test opt]# gdb ./dynamic
(gdb) disassemble main
0x08048204 <main+0>:    push   %ebp
0x08048205 <main+1>:    mov    %esp,%ebp
0x08048207 <main+3>:    sub    $0x8,%esp
0x0804820a <main+6>:    and    $0xfffffff0,%esp
0x0804820d <main+9>:    mov    $0x0,%eax
0x08048212 <main+14>:   sub    %eax,%esp
0x08048214 <main+16>:   call   0x8048288
0x08048219 <main+21>:   leave
0x0804821a <main+22>:   ret

由于libc库是在程序初始化时才被装载,所以我们先启动程序,并停在main第一条语句,然后反汇编getuid库函数

(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x804820a
(gdb) r
Starting program: /opt/dynamic
Breakpoint 1, 0x0804820a in main ()
(gdb) disassemble getuid
Dump of assembler code for function getuid:
0x40219e50 <__getuid+0>:        push   %ebp
0x40219e51 <__getuid+1>:        mov    %esp,%ebp
0x40219e53 <__getuid+3>:        push   %ebx
0x40219e54 <__getuid+4>:        call   0x40219e59 <__getuid+9>
0x40219e59 <__getuid+9>:        pop    %ebx
0x40219e5a <__getuid+10>:       add    $0x84b0f,%ebx
0x40219e60 <__getuid+16>:       mov    0xffffd87c(%ebx),%eax
0x40219e66 <__getuid+22>:       test   %eax,%eax
0x40219e68 <__getuid+24>:       jle    0x40219e80 <__getuid+48>
0x40219e6a <__getuid+26>:       mov    $0x18,%eax
0x40219e6f <__getuid+31>:       call   *%gs:0x10
0x40219e76 <__getuid+38>:       pop    %ebx
0x40219e77 <__getuid+39>:       pop    %ebp
0x40219e78 <__getuid+40>:       ret

可以看出,库函数getuid将eax寄存器设置为getuid系统调用的调用号0x18,然后调用%gs:0x10所指向的函数。在gdb中,无法查看非DS段的数据内容,所以无法查看%gs:0x10所保存的实际数值,不过我们可以通过编程的办法,内嵌汇编将%gs:0x10的值赋予某个局部变量来得到这个数值,而这个数值也是0xffffe400,具体代码这里就不再赘述。

由此可见,无论是静态还是动态方式,最终我们都来到了0xffffe400这里的一段代码,这里就是内核为我们映射的系统调用入口代码。在gdb中,我们可以直接反汇编来查看这里的代码

(gdb) disassemble 0xffffe400 0xffffe414
Dump of assembler code from 0xffffe400 to 0xffffe414:0xffffe400:     push   %ecx
0xffffe401:     push   %edx
0xffffe402:     push   %ebp
0xffffe403:     mov    %esp,%ebp
0xffffe405:     sysenter
0xffffe407:     nop
0xffffe408:     nop
0xffffe409:     nop
0xffffe40a:     nop
0xffffe40b:     nop
0xffffe40c:     nop
0xffffe40d:     nop
0xffffe40e:     jmp    0xffffe403
0xffffe410:     pop    %ebp
0xffffe411:     pop    %edx
0xffffe412:     pop    %ecx
0xffffe413:     ret
End of assembler dump.

这段代码正是arch/i386/kernel/vsyscall-sysenter.S文件中的代码。其中,在sysenter之前的是入口代码,在0xffffe410开始的是内核返回处理代码(后面提到的SYSENTER_RETURN即指向这里)。在入口代码中,首先是保存当前的ecx,edx(由于sysexit指令需要使用这两个寄存器)以及ebp。然后调用sysenter指令,跳转到内核Ring 0代码,也就是sysenter_entry入口处。

内核中的处理和返回

sysenter_entry整个的实现可以参见arch/i386/kernel/entry.S。内核处理SYSENTER的代码和处理INT的代码不太一样。通过sysenter指令进入Ring 0之后,由于当前的ESP并非指向正确的内核栈,而是当前CPU的TSS结构中的一个缓冲区(参见上文),所以首先要解决的是修复ESP,幸运的是,TSS结构中ESP0成员本身就保存有Ring 0状态的ESP值,所以在这里将TSS结构中ESP0的值赋予ESP寄存器。将ESP恢复成指向正确的堆栈之后,由于SYSENTER不是通过调用门进入Ring 0,所以在堆栈中的上下文和使用INT指令的不一样,INT指令进入Ring 0后栈中会保存如下的值。

低地址

返回用户态的EIP
用户态的CS
用户态的EFLAGS
用户态的ESP
用户态的SS(和DS相同)

高地址

因此,为了简化和重用代码,内核会用pushl指令往栈中放入上述各值,值得注意的是,内核在栈中放入的相对应用户态EIP的值,是一个代码标签SYSENTER_RETURN,在vsyscall-sysenter.S可以看到,它就在sysenter指令的后面(在它们之间,有一段NOP,是内核返回出错时的处理代码)。接下来,处理系统调用的代码就和中断方式的处理代码一模一样了,内核保存所有的寄存器,然后系统调用表找到对应系统调用的入口,完成调用。最后,内核从栈中取出前面存入的用户态的EIP和ESP,存入edx和ecx寄存器,调用SYSEXIT指令返回用户态。返回用户态之后,从栈中取出ESP,edx,ecx,最终返回glibc库。

其它操作系统以及其它硬件平台的支持

值得一提的是,从 Windows XP 开始,Windows 的系统调用方式也从软中断 int 0x2e 转换到采用 sysenter 方式,由于完全不再支持 int 方式,因此 Windows XP 的对 CPU 的最低配置要求是 PentiumII 300MHz。在其它的操作系统例如 *BSD 系列,目前并没有提供对 sysenter 指令的支持。

在 CPU 方面,AMD 的 CPU 支持一套与之对应的指令 SYSCALL/SYSRET。在纯 32 位的 AMD CPU 上,还没有支持 sysenter 指令,而在 AMD 推出的 AMD64 系列 CPU 上,处于某些模式的情况下,CPU 能够支持 sysenter/sysexit 指令。在 Linux 内核针对 AMD64 架构的代码中,采用的还是 SYSCALL/SYSRET 指令。至于这两种指令最终谁将成为标准,目前还无法得出结论。

未来

我们将 Intel 的 sysenter/sysexit 指令,AMD 的 SYSCALL/SYSRET 指令统称为"快速系统调用指令"。"快速系统调用指令"比起中断指令来说,其消耗时间必然会少一些,但是随着 CPU 设计的发展,将来应该不会再出现类似 Intel Pentium4 这样悬殊的差距。而"快速系统调用指令"比起中断方式的系统调用方式,还存在一定局限,例如无法在一个系统调用处理过程中再通过"快速系统调用指令"调用别的系统调用。因此,并不一定每个系统调用都需要通过"快速系统调用指令"来实现。比如,对于复杂的系统调用例如 fork,两种系统调用方式的时间差和系统调用本身运行消耗的时间来比,可以忽略不计,此处采取"快速系统调用指令"方式没有什么必要。而真正应该使用"快速系统调用指令"方式的,是那些本身运行时间很短,对时间精确性要求高的系统调用,例如 getuid、gettimeofday 等等。因此,采取灵活的手段,针对不同的系统调用采取不同的方式,才能得到最优化的性能和实现最完美的功能。


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Zone=Linux
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