Introduction

回顾 Hello World

// hello.c
#include <stdio.h>

int main(){
   printf("Hello, World\n");
   return 0;
}

使用 objdump -d a.out 查看 gcc 编译出来的结果，会发现编译出来的文件一点也不小（使用 gcc -static.c 会导致更大的可执行文件）。为了控制编译和链接流程，可以首先通过 gcc -c hello.c 生成目标文件 hello.o。此时，如果使用 ld hello.o 直接进行链接的话，会发生找不到 puts 的错误 (这就是 gcc 在背后帮我们做的事情，可通过 --verbose 查看具体配置)。

显然，该问题是由于 printf 引起的，删除 printf 和 include 后可以链接生成 a.out (可以通过 -e main 避免 warning)。然而，在运行时产生了 Segmentation Fault：程序仅靠 “计算” 指令是无法正常结束的，这就是操作系统需要提供服务的地方。

系统调用和最小 Hello World

用户程序只能通过系统调用 (以操作系统所允许的方式) 来向操作系统请求服务。在最小的 Hello World 中，我们仅需要请求两个服务：write() 和 exit()。

// hello.S
.section .data
msg:    .asciz "Hello World\n" ; 

.section .text
.globl _start

_start:
  movq $1,   %rax   // write system call
  movq $1,   %rdi   // file descriptor
  movq $msg, %rsi   // pointer to message
  movq $12,  %rdx   // message length
  syscall           

  movq $60,  %rax   // exit system call
  movq $0,   %rdi   // return number
  syscall

运行上述代码:

cpp hello.S > hello.i
as hello.i -o hello.o
ld hello.o
./a.out

系统调用追踪

我们可以通过 strace 来追踪一个应用程序在执行过程中产生的系统调用:

strace ./a.out

strace 实际上是通过 ptrace() 这个系统调用来实现的，其可以在被追踪的程序每次进入或退出内核时停止其执行，然后追踪程序就可以进一步使用 ptrace() 来获取程序的状态。例如，下列代码给出了利用 ptrace() 实现的一个简易 tracer:

#include <sys/ptrace.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/user.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/syscall.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc < 2) {
    printf(stderr, "Usage: %s <command>\n", argv[0]);
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  pid_t child = fork();
  if (child == 0) {
    // this process (tracee) is to be traced
    ptrace(PTRACE_TRACEME, 0, NULL, NULL);
    execvp(argv[1], &argv[1]);
  } else {
    int status;
    struct user_regs_struct regs;
    // wait for the tracee to stop itself
    waitpid(child, &status, 0);    
    while (1) {
      // restart the stopped tracee, and arrange for the tracee to be stopped 
      // at the next entry to or exit from a system call
      ptrace(PTRACE_SYSCALL, child, NULL, NULL);
      waitpid(child, &status, 0);
      // if the child exits
      if (WIFEXITED(status))
        break;
      // copy the tracee's general-purpose registers
      ptrace(PTRACE_GETREGS, child, NULL, &regs);
      printf("System call number: %lld\n", regs.orig_rax);
    }
  }
  return 0;
}