为现代Linux内核添加系统调用
前言
学校的操作系统实验课虽然很糟糕（就没有不糟糕的实验课），但是这个实验还是很有意思的。
如果只是简单的跟着2016年堂堂更新的PPT来完成的话，这个实验还是很简单的。毕竟目标内核版本是2.6.32😁。
所以我决定给自己上点强度，在真正的现代Linux内核（5.15.153，虽然还是有点旧）上增加系统调用。
工具
不过话说回来，真正在一个裸机编译和加载一个Linux内核还是挺复杂的，再加上本人是一个WSL享受者。所以这次的实验就借助巨硬提供的好工具来做。
编译并更换WSL2的内核
巨硬为WSL2提供了非常好的内核支持，只需前往microsoft/WSL2-Linux-Kernel: The source for the Linux kernel used in Windows Subsystem for Linux 2 (WSL2)下载最新的release就可以获得到微软为WSL2特制的Linux Kernel。
在准备好编译后，在内核文件路径下输入
sudo make KCONFIG_CONFIG=Microsoft/config-wsl -j8
即可进行编译，其中-j8选项指示最多使用8个cc1进程进行编译，可以自行更改。
编译过程需要很多额外的库，如果遇到文件缺失尝试google一下是否要装某个库。
巨硬同时为WSL提供了非常方便的内核更换方式，编译后能在在目录的arch/x86/boot下找到编译后的bzImage。将其下载到windows中，在windows中的User目录下添加一个名为.wslconfig的文件，在其中添加以下内容配置WSL2的内核使用哪一个。其中字符串填入下载的bzImage的windows路径，注意使用双反斜杠。
[wsl2]
kernel="C:\\XXX\\XXX\\XXX\\bzImage"
接着在powershell或者cmd使用wsl --shutdown关闭wsl实例，然后重启wsl即可以新的内核启动。
添加函数
最核心的工作之一，在kernel/sys.c的末尾添加一个函数，来实现我们需要的系统调用。
这里有一个需要注意的点。自2.6时代以后，随着Linux的规模越来越大，为了便于维护，所有的通用的函数定义模版都使用宏进行了包装，以便进行类型检查等操作。
使用SYSCALL_DEFINE1来进行函数定义，其中末尾的1表示该函数接受一个参数,_user宏指示编译器该指针来自用户空间不应该在内核空间直接解引用。
如果不使用该宏进行定义会导致copy_to_user函数总是返回非零值。
SYSCALL_DEFINE1(pedagogictime, struct timespec64 __user *, tv)
{
if(likely(tv)) {
struct timespec64 ktv;
ktime_get_real_ts64(&ktv);
if (copy_to_user(tv, &ktv, sizeof(ktv)))
return -EFAULT;
else
return 0;
}
return -1;
}
该服务函数基本功能与gettimeofday基本一致。原本的实验内容就是直接使用do_gettimeofday来获取当前的Unix时间。但该函数在内核中已被弃用（因为y2038问题)，需要使用更加现代的ktime_get_real_ts64。
添加用户系统调用
在include/uapi/asm-generic/unistd.h中模仿其他实现加入我们自己的系统调用编号以及服务函数，同时修改最大系统调用号个数，让其增加一（在5.15.153上默认系统调用的个数是449个）
#define __NR_pedagogictime 449
__SYSCALL(__NR_pedagogictime, sys_pedagogictime)
#undef __NR_syscalls
#define __NR_syscalls 450
添加架构相关的Entry
Linux内核仓库维护系统调用表来自动生成于系统调用相关的汇编代码。两个表分别为arch/x86/entry/syscalls/syscall_32.tbl arch/x86/entry/syscalls/syscall_64.tbl
考虑到我自己的处理器架构是x86-64，所以我只修改了syscall_64.tbl。根据该文件里注释的提示，在448后面加上一条，其中64代表该条目的abi为64位
449 64 pedagogictime sys_pedagogictime
测试内核
加载完新内核后，输入uname -a来确认是否真的加载了新内核。
Linux Amadeus 5.15.153.1-microsoft-standard-WSL2 #17 SMP Mon Jun 3 23:44:57 CST 2024 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
编译时间显示确实是刚编译好的内核。
接着编写一个简单的函数来测试内核的修改是否生效。
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/syscall.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
struct timespec64
{
long long int tv_sec;
long tv_nsec;
};
int main ()
{
struct timespec64 tv;
long tmp = syscall(449, &tv);
if (tmp == -1)
{
printf("Syscall return wrong\n");
return 1;
}
printf("First, user get tv_sec:%lld\n", tv.tv_sec);
return 0;
}
编译运行符合预期，确实输出了Unix时间。
结语
抛开无聊的实验课程和实验报告来说，这个实验本身还是很有意思的。让人亲手编译一次Linux内核，看着不断滚动的编译语句总是给人一种Super Hacker的快乐呢。
虽然给内核添加系统调用在XV6实验中已经做过很多次了。但实际到一个真实的系统还是很困难的，毕竟真实的Linux还是过于庞大了，如果没有网络上良好的指导和博客，还是很难做到的。
感谢巨硬提供这么好用的WSL，赞美WSL！！！
参考
Linux 内核 | 内核的时间函数 - 一丁点儿 (dingmos.com)
Linux内核之 printk 打印 - 皓然123 - 博客园 (cnblogs.com)
WSL2（Ubuntu）下添加新的Linux（5.7.9）系统调用_wsl2 系统调用-CSDN博客
linux - How can i print current time in kernel? - Stack Overflow