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[转帖]系统调用，从用户态进入系统态（_KiSystemService() _KiFastCallEntry）
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发表于: 2013-8-25 13:30
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1、内核与系统调用基础
对于应用程序进程来说，操作系统内核的作用体现在一组可供调用的函数，称为系统调用（也成"系统服务"）。
从程序运行的角度来看，进程是主动、活性的，是发出调用请求的一方；而内核是被动的，只是应进程要求而提供服务。从整个系统运行角度看，内核也有活性的一面，具体体现在进程调度。
系统调用所提供的服务(函数)是运行在内核中的，也就是说，在"系统空间"中。而应用软件则都在用户空间中，二者之间有着空间的间隔（CPU运行模式不同）。
综上所述，应用软件若想进行系统调用，则应用层和内核层之间，必须存在"系统调用接口"，即一组接口函数，这组接口运行于用户空间。对于windows来说，其系统调用接口并不公开，公开是的一组对系统调用接口的封装函数，称为windowsAPI。
2、用户空间中的进程如何进行系统调用？
用户空间与系统空间所在的内存区间不一样，同样，对于这两种区间，CPU的运行状态也不一样。
在用户空间中，CPU处于"用户态"；在系统空间中，CPU处于"系统态"。
CPU从系统态进入用户态是容易的，因为可以执行一些系统态特有的特权指令，从而进入用户态。
而相反，用户态进入系统态则不容易，因为用户态是无法执行特权指令的。
所以，一般有三种手段，使CPU进入系统态（即转入系统空间执行）：
①中断：来自于外部设备的中断请求。当有中断请求到来时，CPU自动进入系统态，并从某个预定地址开始执行指令。中断只发生
在两条指令之间，不影响正在执行的指令。
②异常：无论是在用户空间或系统空间，执行指令失败时都会引起异常，CPU会因此进入系统态（如果原先不在系统空间），从而
在系统空间中对异常做出处理。异常发生在执行一条指令的过程中，所以当前执行的指令已经半途而废了。
③自陷：以上两种都CPU被动进入系统态。而自陷是CPU通过自陷指令主动进入系统态。多数CPU都有自陷指令，系统调用函数一般都是靠自陷指令实现的。一条自陷指令的作用相当于一次子程序调用，子程序存在于系统空间。
3、通过自陷指令调用系统服务流程：
windows系统通过自陷指令"int 0x2e"进入系统空间实现系统调用。
①CPU执行int 0x2e，CPU运行状态切换为系统态
②从任务状态段TSS装入本线程的系统空间的SS和ESP
③依次把用户空间的SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP的内容压入系统空间堆栈
每个线程都有自己的系统空间堆栈,其堆栈段寄存器SS和堆栈指针ESP的内容保存在一个称为"任务状态段"既TSS的数据结构里面。
与此相应,CPU中有个 称为"任务寄存器"即TR的段寄存器.每当从用户空间进入系统空间时,CPU就自动根据TR的指引从TSS中获取当前进程的SS和ESP两个寄存器的值. 然后在把上面提到的几个寄存器中的内容压入这个堆栈.当然,还要根据IDTR即"中断描述符表寄存器"的指引获取CS和EIP. 这个过程所涉及的"时钟周期"显然不会少.正因为这样,后来才有了"快速系统调用"指令sysenter和sysexit的出现。
④从中断向量表中(Interrupt Descriptor Table)以0x2e为中断向量，开始执行系统空间中的程序。
⑤程序执行后，通过iret(中断返回)指令实现上述过程的逆过程
__declspec(naked) __stdcall NtReadFile(int dummy0,int dummy2,int dummy3)
{
__asm{
push ebp
mov ebp,esp
mov eax,152 //将NtReadFile()的系统调用号存入EAX
lea edx,8[ebp] //使EDX指向堆栈上参数块的起点,返回地址+Filehandle = 8 bytes
int 0x2E //进入内核
pop ebp
ret 9 //在堆栈上共有9个参数(win32汇编应该是9*4 :ret 36,)
}
}
//注意:此函数的参数在函数中并没有用到,因此其实是可有可无的
4、windows中介函数详解
所有windows基本系统调用的中介函数存在于ntdll.dll中。这些中介函数拥有相同的样式（都是执行自陷指令，然后调用相应的内核函数），所以reactOS用工具自动生成这些中介函数。
函数名、系统调用号、参数个数，来自文件sysfuncs.lst中，例如：
NtAcceptConnectPort 6
NtAccessCheck 8
NtAccessCheckAndAuditAlarm 11
NtAccessCheckByType 11
NtAccessCheckByTypeAndAuditAlarm 16
NtAccessCheckByTypeResultList 11
NtAccessCheckByTypeResultListAndAuditAlarm 16
NtAccessCheckByTypeResultListAndAuditAlarmByHandle 17
NtAddAtom 3
...
这里，NtAcceptConnerPort就是调用号为0的系统调用函数，它有六个参数。其他的调用函数类似。
5、何谓CPU进入系统空间？
①CPU的运行状态从用户态转为系统态，拥有了执行"特权指令"的能力。
②CPU进入系统态后，可以访问内存中的系统区（内核所在的区域），而在用户态下是无法访问的。
③当前进程使用的堆栈，从用户态切换到系统态。堆栈原先的内容（用户态），以及用户空间的堆栈指针，被压入系统空间堆栈。同时被压入的，还有EFLAGS、CS、EIP的内容。
④关闭中断，依照中断向量从IDT中找到相应的表项，并根据表项提供的程序入口进入相应的中断服务程序。
6、windows提供的自陷指令
int 3：程序入口为_KiTrap3()。用于debug时设置断点。
int 0x2e：程序入口为_KiSystemService()。用于实现windows系统调用。
int 0x2a：程序入口为_KiGetTickCount()。让用户空间程序获取高精度时钟计数。
int 0x2b：程序入口为_KiCallbackReturn()。特殊自陷入口。用于在内核中回调用户空间中的子程序，执行完后，通过0x2b返回系统空间。
int 0x2c/int 0x2d：用于dubug。
7、_KiSystemService()
_KiSystemService()是所有的系统调用入口函数。对应于中断向量0x2e。所以，当中间函数执行int 0x2e时，CPU就进入系统空间中的这个函数。
进入系统空间时，CPU自动将下列信息压入系统空间堆栈：
①用户空间的堆栈位置，包括SS和ESP的内容
②EFLAGS的内容
③用户空间指令位置，包括CS和EIP的内容
这些信息是将来返回用户空间所必须的。
8、快速系统调用
x86系列从P2开始增设了两条指令和三个寄存器用来用来实现快速系统调用。分别是：
sysenter和sysexit(对应于自陷方式中的int/call和iret/ret)
sysenter_cs_msr
sysenter_ip_msr
sysenter_esp_msr
快速系统调用实现更为高效。
采用快速系统调用的总入口时_KiFastCallEntry(对应于_KiSystemService)。
快速系统调用代码摘要：
__decksoec(naked) __stdcall NtReadFile(int dummy, int dummy1, int dummy2)
{
__asm{
mov eax,152
mov ecx, KUSER_SHARED_SYSCALL
CALL [ecx]
ret 9
}
}
其中，KUSER_SHARED_SYSCALL指向用户空间的一个地址(0x7ffe0300),这个位置存储了一个函数指针，指向KiIntSystemCall()或KiFastSystemCall()两个函数其中之一。系统在初始化的时候根据CPU是否支持快速系统调用而使该指针指向KiIntSystemCall()或KiFastSystemCall()。
_KiIntSystemCall@0:
lea edx, [esp+8]
int 0x2e
ret
_KiFastSystemCall@0:
mov edx,csp
sysenter
_KiFastSystemCallRet@0:
ret
不难看出KiIntSystemCall()就是原先采用中断方式进入内核。而KiFastSystemCall()则是采用快速系统调用进入内核。
内核在初始化阶段根据处理器的CPUID判断其是否支持快速系统调用，而从ntdll.dll的映像中找到KiIntSystemCall()或KiFastSystemCall()的地址，将其写入用户空间的地址。
0x7ffe0300.实际上CPU写入的时系统空间的地址0xffdf0300，但是系统空间0xffdf0000与用户空间0x7ffe0000的地方就好像是一条隧道的两端，两块64KB的虚存空间都映射到同一块物理内存。
快速系统调用流程图：
9、从内核中发起系统调用
在内核中不能直接调用NtReadFile之类的实现函数。一般也是通过中介函数进行调用。
以NtReadFile为例，其在内核中的中介函数由工具生成，其名称为ZwReadFile。
代码：
__declspec(naked) _stdcall ZwReadFile(int dummy0, int dummy1, int dummy2)
{
asm{
mov eax 152
lea edx,[esp+4]
push KGDT_R0_CODE
call _KiSystemservice
ret 36
}
}
流程图：
(PS:为了使其看起来更舒适，编辑了一个多小时，权当自己的一次笔记吧
)
对于应用程序进程来说，操作系统内核的作用体现在一组可供调用的函数，称为系统调用（也成"系统服务"）。
从程序运行的角度来看，进程是主动、活性的，是发出调用请求的一方；而内核是被动的，只是应进程要求而提供服务。从整个系统运行角度看，内核也有活性的一面，具体体现在进程调度。
系统调用所提供的服务(函数)是运行在内核中的，也就是说，在"系统空间"中。而应用软件则都在用户空间中，二者之间有着空间的间隔（CPU运行模式不同）。
综上所述，应用软件若想进行系统调用，则应用层和内核层之间，必须存在"系统调用接口"，即一组接口函数，这组接口运行于用户空间。对于windows来说，其系统调用接口并不公开，公开是的一组对系统调用接口的封装函数，称为windowsAPI。
2、用户空间中的进程如何进行系统调用？
用户空间与系统空间所在的内存区间不一样，同样，对于这两种区间，CPU的运行状态也不一样。
在用户空间中，CPU处于"用户态"；在系统空间中，CPU处于"系统态"。
CPU从系统态进入用户态是容易的，因为可以执行一些系统态特有的特权指令，从而进入用户态。
而相反，用户态进入系统态则不容易，因为用户态是无法执行特权指令的。
所以，一般有三种手段，使CPU进入系统态（即转入系统空间执行）：
①中断：来自于外部设备的中断请求。当有中断请求到来时，CPU自动进入系统态，并从某个预定地址开始执行指令。中断只发生
在两条指令之间，不影响正在执行的指令。
②异常：无论是在用户空间或系统空间，执行指令失败时都会引起异常，CPU会因此进入系统态（如果原先不在系统空间），从而
在系统空间中对异常做出处理。异常发生在执行一条指令的过程中，所以当前执行的指令已经半途而废了。
③自陷：以上两种都CPU被动进入系统态。而自陷是CPU通过自陷指令主动进入系统态。多数CPU都有自陷指令，系统调用函数一般都是靠自陷指令实现的。一条自陷指令的作用相当于一次子程序调用，子程序存在于系统空间。
3、通过自陷指令调用系统服务流程：
windows系统通过自陷指令"int 0x2e"进入系统空间实现系统调用。
①CPU执行int 0x2e，CPU运行状态切换为系统态
②从任务状态段TSS装入本线程的系统空间的SS和ESP
③依次把用户空间的SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP的内容压入系统空间堆栈
每个线程都有自己的系统空间堆栈,其堆栈段寄存器SS和堆栈指针ESP的内容保存在一个称为"任务状态段"既TSS的数据结构里面。
与此相应,CPU中有个 称为"任务寄存器"即TR的段寄存器.每当从用户空间进入系统空间时,CPU就自动根据TR的指引从TSS中获取当前进程的SS和ESP两个寄存器的值. 然后在把上面提到的几个寄存器中的内容压入这个堆栈.当然,还要根据IDTR即"中断描述符表寄存器"的指引获取CS和EIP. 这个过程所涉及的"时钟周期"显然不会少.正因为这样,后来才有了"快速系统调用"指令sysenter和sysexit的出现。
④从中断向量表中(Interrupt Descriptor Table)以0x2e为中断向量，开始执行系统空间中的程序。
⑤程序执行后，通过iret(中断返回)指令实现上述过程的逆过程
__declspec(naked) __stdcall NtReadFile(int dummy0,int dummy2,int dummy3)
{
__asm{
push ebp
mov ebp,esp
mov eax,152 //将NtReadFile()的系统调用号存入EAX
lea edx,8[ebp] //使EDX指向堆栈上参数块的起点,返回地址+Filehandle = 8 bytes
int 0x2E //进入内核
pop ebp
ret 9 //在堆栈上共有9个参数(win32汇编应该是9*4 :ret 36,)
}
}
//注意:此函数的参数在函数中并没有用到,因此其实是可有可无的
4、windows中介函数详解
所有windows基本系统调用的中介函数存在于ntdll.dll中。这些中介函数拥有相同的样式（都是执行自陷指令，然后调用相应的内核函数），所以reactOS用工具自动生成这些中介函数。
函数名、系统调用号、参数个数，来自文件sysfuncs.lst中，例如：
NtAcceptConnectPort 6
NtAccessCheck 8
NtAccessCheckAndAuditAlarm 11
NtAccessCheckByType 11
NtAccessCheckByTypeAndAuditAlarm 16
NtAccessCheckByTypeResultList 11
NtAccessCheckByTypeResultListAndAuditAlarm 16
NtAccessCheckByTypeResultListAndAuditAlarmByHandle 17
NtAddAtom 3
...
这里，NtAcceptConnerPort就是调用号为0的系统调用函数，它有六个参数。其他的调用函数类似。
5、何谓CPU进入系统空间？
①CPU的运行状态从用户态转为系统态，拥有了执行"特权指令"的能力。
②CPU进入系统态后，可以访问内存中的系统区（内核所在的区域），而在用户态下是无法访问的。
③当前进程使用的堆栈，从用户态切换到系统态。堆栈原先的内容（用户态），以及用户空间的堆栈指针，被压入系统空间堆栈。同时被压入的，还有EFLAGS、CS、EIP的内容。
④关闭中断，依照中断向量从IDT中找到相应的表项，并根据表项提供的程序入口进入相应的中断服务程序。
6、windows提供的自陷指令
int 3：程序入口为_KiTrap3()。用于debug时设置断点。
int 0x2e：程序入口为_KiSystemService()。用于实现windows系统调用。
int 0x2a：程序入口为_KiGetTickCount()。让用户空间程序获取高精度时钟计数。
int 0x2b：程序入口为_KiCallbackReturn()。特殊自陷入口。用于在内核中回调用户空间中的子程序，执行完后，通过0x2b返回系统空间。
int 0x2c/int 0x2d：用于dubug。
7、_KiSystemService()
_KiSystemService()是所有的系统调用入口函数。对应于中断向量0x2e。所以，当中间函数执行int 0x2e时，CPU就进入系统空间中的这个函数。
进入系统空间时，CPU自动将下列信息压入系统空间堆栈：
①用户空间的堆栈位置，包括SS和ESP的内容
②EFLAGS的内容
③用户空间指令位置，包括CS和EIP的内容
这些信息是将来返回用户空间所必须的。
8、快速系统调用
x86系列从P2开始增设了两条指令和三个寄存器用来用来实现快速系统调用。分别是：
sysenter和sysexit(对应于自陷方式中的int/call和iret/ret)
sysenter_cs_msr
sysenter_ip_msr
sysenter_esp_msr
快速系统调用实现更为高效。
采用快速系统调用的总入口时_KiFastCallEntry(对应于_KiSystemService)。
快速系统调用代码摘要：
__decksoec(naked) __stdcall NtReadFile(int dummy, int dummy1, int dummy2)
{
__asm{
mov eax,152
mov ecx, KUSER_SHARED_SYSCALL
CALL [ecx]
ret 9
}
}
其中，KUSER_SHARED_SYSCALL指向用户空间的一个地址(0x7ffe0300),这个位置存储了一个函数指针，指向KiIntSystemCall()或KiFastSystemCall()两个函数其中之一。系统在初始化的时候根据CPU是否支持快速系统调用而使该指针指向KiIntSystemCall()或KiFastSystemCall()。
_KiIntSystemCall@0:
lea edx, [esp+8]
int 0x2e
ret
_KiFastSystemCall@0:
mov edx,csp
sysenter
_KiFastSystemCallRet@0:
ret
不难看出KiIntSystemCall()就是原先采用中断方式进入内核。而KiFastSystemCall()则是采用快速系统调用进入内核。
内核在初始化阶段根据处理器的CPUID判断其是否支持快速系统调用，而从ntdll.dll的映像中找到KiIntSystemCall()或KiFastSystemCall()的地址，将其写入用户空间的地址。
0x7ffe0300.实际上CPU写入的时系统空间的地址0xffdf0300，但是系统空间0xffdf0000与用户空间0x7ffe0000的地方就好像是一条隧道的两端，两块64KB的虚存空间都映射到同一块物理内存。
快速系统调用流程图：
9、从内核中发起系统调用
在内核中不能直接调用NtReadFile之类的实现函数。一般也是通过中介函数进行调用。
以NtReadFile为例，其在内核中的中介函数由工具生成，其名称为ZwReadFile。
代码：
__declspec(naked) _stdcall ZwReadFile(int dummy0, int dummy1, int dummy2)
{
asm{
mov eax 152
lea edx,[esp+4]
push KGDT_R0_CODE
call _KiSystemservice
ret 36
}
}
流程图：
(PS:为了使其看起来更舒适，编辑了一个多小时，权当自己的一次笔记吧
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[招生]科锐逆向工程师培训(2024年11月15日实地，远程教学同时开班, 第51期)
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