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# 1.5.9 Linux 内核
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- [编译安装](#编译安装)
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- [系统调用](#系统调用)
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- [参考资料](#参考资料)
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## 编译安装
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我的编译环境是如下。首先安装必要的软件：
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```
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$ uname -a
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Linux firmy-pc 4.14.34-1-MANJARO #1 SMP PREEMPT Thu Apr 12 17:26:43 UTC 2018 x86_64 GNU/Linux
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$ yaourt -S base-devel
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```
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为了方便学习，选择一个稳定版本，比如最新的 4.16.3。
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```
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$ mkdir ~/kernelbuild && cd ~/kernelbuild
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$ wget -c https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v4.x/linux-4.16.3.tar.xz
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$ tar -xvJf linux-4.16.3.tar.xz
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$ cd linux-4.16.3/
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$ make clean && make mrproper
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```
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内核的配置选项在 `.config` 文件中，有两种方法可以设置这些选项，一种是从当前内核中获得一份默认配置：
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```
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$ zcat /proc/config.gz > .config
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$ make oldconfig
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```
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另一种是自己生成一份配置：
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```
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$ make localmodconfig # 使用当前内核配置生成
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$ # OR
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$ make defconfig # 根据当前架构默认的配置生成
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```
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为了能够对内核进行调试，需要设置下面的参数：
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```
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CONFIG_DEBUG_INFO=y
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CONFIG_DEBUG_INFO_REDUCED=n
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CONFIG_GDB_SCRIPTS=y
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```
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如果需要使用 kgdb，还需要开启下面的参数：
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```
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CONFIG_STRICT_KERNEL_RWX=n
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CONFIG_FRAME_POINTER=y
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CONFIG_KGDB=y
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CONFIG_KGDB_SERIAL_CONSOLE=y
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```
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`CONFIG_STRICT_KERNEL_RWX` 会将特定的内核内存空间标记为只读，这将阻止你使用软件断点，最好将它关掉。
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如果希望使用 kdb，在上面的基础上再加上：
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```
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CONFIG_KGDB_KDB=y
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CONFIG_KDB_KEYBOARD=y
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```
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另外如果你在调试时不希望被 KASLR 干扰，可以在编译时关掉它：
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```
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CONFIG_RANDOMIZE_BASE=n
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CONFIG_RANDOMIZE_MEMORY=n
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```
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将上面的参数写到文件 `.config-fragment`，然后合并进 `.config`：
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```
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$ ./scripts/kconfig/merge_config.sh .config .config-fragment
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```
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最后因为内核编译默认开启了 `-O2` 优化，可以修改 Makefile 为 `-O0`：
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```
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KBUILD_CFLAGS += -O0
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```
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编译内核：
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```
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$ make
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```
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完成后当然就是安装，但我们这里并不是真的要将本机的内核换掉，接下来的过程就交给 QEMU 了。（参考章节4.1）
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## 系统调用
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在 Linux 中，系统调用是一些内核空间函数，是用户空间访问内核的唯一手段。这些函数与 CPU 架构有关，x86-64 架构提供了 322 个系统调用，x86 提供了 358 个系统调用（参考附录9.4）。
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下面是一个用 32 位汇编写的例子，[源码](../src/others/1.5.9_linux_kernel)：
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```
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.data
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msg:
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.ascii "hello 32-bit!\n"
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len = . - msg
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.text
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.global _start
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_start:
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movl $len, %edx
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movl $msg, %ecx
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movl $1, %ebx
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movl $4, %eax
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int $0x80
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movl $0, %ebx
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movl $1, %eax
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int $0x80
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```
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编译执行（可以编译成64位程序的）：
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```
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$ gcc -m32 -c hello32.S
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$ ld -m elf_i386 -o hello32 hello32.o
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$ strace ./hello32
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execve("./hello32", ["./hello32"], 0x7ffff990f830 /* 68 vars */) = 0
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strace: [ Process PID=19355 runs in 32 bit mode. ]
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write(1, "hello 32-bit!\n", 14hello 32-bit!
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) = 14
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exit(0) = ?
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+++ exited with 0 +++
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```
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可以看到程序将调用号保存到 `eax`，并通过 `int $0x80` 来使用系统调用。
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虽然软中断 `int 0x80` 非常经典，早期 2.6 及以前版本的内核都使用这种机制进行系统调用。但因其性能较差，在往后的内核中使用了快速系统调用指令来替代，32 位系统使用 `sysenter`（对应`sysexit`） 指令，而 64 位系统使用 `syscall`（对应`sysret`） 指令。
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一个使用 sysenter 的例子：
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```
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.data
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msg:
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.ascii "Hello sysenter!\n"
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len = . - msg
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.text
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.globl _start
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_start:
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movl $len, %edx
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movl $msg, %ecx
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movl $1, %ebx
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movl $4, %eax
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# Setting the stack for the systenter
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pushl $sysenter_ret
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pushl %ecx
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pushl %edx
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pushl %ebp
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movl %esp, %ebp
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sysenter
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sysenter_ret:
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movl $0, %ebx
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movl $1, %eax
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||
# Setting the stack for the systenter
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||
pushl $sysenter_ret
|
||
pushl %ecx
|
||
pushl %edx
|
||
pushl %ebp
|
||
movl %esp, %ebp
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||
sysenter
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||
```
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```
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$ gcc -m32 -c sysenter.S
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$ ld -m elf_i386 -o sysenter sysenter.o
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$ strace ./sysenter
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execve("./sysenter", ["./sysenter"], 0x7fff73993fd0 /* 69 vars */) = 0
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strace: [ Process PID=7663 runs in 32 bit mode. ]
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write(1, "Hello sysenter!\n", 16Hello sysenter!
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) = 16
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exit(0) = ?
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+++ exited with 0 +++
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```
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可以看到，为了使用 sysenter 指令，需要为其手动布置栈。这是因为在 sysenter 返回时，会执行 `__kernel_vsyscall` 的后半部分（从0xf7fd5059开始）：
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```
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gdb-peda$ vmmap vdso
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Start End Perm Name
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0xf7fd4000 0xf7fd6000 r-xp [vdso]
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gdb-peda$ disassemble __kernel_vsyscall
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||
Dump of assembler code for function __kernel_vsyscall:
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0xf7fd5050 <+0>: push ecx
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0xf7fd5051 <+1>: push edx
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0xf7fd5052 <+2>: push ebp
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0xf7fd5053 <+3>: mov ebp,esp
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||
0xf7fd5055 <+5>: sysenter
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0xf7fd5057 <+7>: int 0x80
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0xf7fd5059 <+9>: pop ebp
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0xf7fd505a <+10>: pop edx
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0xf7fd505b <+11>: pop ecx
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||
0xf7fd505c <+12>: ret
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||
End of assembler dump.
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```
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`__kernel_vsyscall` 封装了 sysenter 调用的规范，是 vDSO 的一部分，而 vDSO 允许程序在用户层中执行内核代码。关于 vDSO 的内容我们将在后面的章节中细讲。
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下面是一个 64 位使用 `syscall` 的例子：
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```
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.data
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msg:
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.ascii "Hello 64-bit!\n"
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len = . - msg
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||
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||
.text
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||
.global _start
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||
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_start:
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movq $1, %rdi
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movq $msg, %rsi
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||
movq $len, %rdx
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||
movq $1, %rax
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||
syscall
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xorq %rdi, %rdi
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movq $60, %rax
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||
syscall
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```
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编译执行（不能编译成32位程序）：
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```
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$ gcc -c hello64.S
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$ ld -o hello64 hello64.o
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$ strace ./hello64
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execve("./hello64", ["./hello64"], 0x7ffe11485290 /* 68 vars */) = 0
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write(1, "Hello 64-bit!\n", 14Hello 64-bit!
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) = 14
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exit(0) = ?
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+++ exited with 0 +++
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```
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在这两个例子中我们直接使用了 `execve`、`write` 和 `exit` 三个系统调用。但一般情况下，应用程序通过在用户空间实现的应用编程接口（API）而不是直接通过系统调用来编程。例如函数 `printf()` 的调用过程是这样的：
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调用printf() ==> C库中的printf() ==> C库中的write() ==> write()系统调用
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## 参考资料
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- [The Linux Kernel documentation](https://www.kernel.org/doc/html/latest/)
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- [linux-insides](https://legacy.gitbook.com/book/0xax/linux-insides/details)
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