分类： LINUX
2011-09-27 09:59:28
在内核的学习中会遇到很多挺有意思的函数，而且能沿着一个函数扯出来很多个相关的函数。copy_to_user和copy_from_user就是在进行驱动相关程序设计的时候，要经常遇到的两个函数。由于内核空间与用户空间的内存不能直接互访，因此借助函数copy_to_user()完成用户空间到内核空间的复制，函数copy_from_user()完成内核空间到用户空间的复制。下面我们来仔细的理一下这两个函数的来龙去脉。 首先，我们来看一下这两个函数的在源码文件中是如何定义的： ~/arch/i386/lib/usercopy.c unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n) { might_sleep(); BUG_ON((long) n < 0); if (access_ok(VERIFY_WRITE, to, n)) n = __copy_to_user(to, from, n); return n; } EXPORT_SYMBOL(copy_to_user); 从注释中就可以看出，这个函数的主要作用就是从内核空间拷贝一块儿数据到用户空间，由于这个函数有可能睡眠，所以只能用于用户空间。它有如下三个参数， To 目标地址，这个地址是用户空间的地址； From 源地址，这个地址是内核空间的地址； N 将要拷贝的数据的字节数。 如果数据拷贝成功，则返回零；否则，返回没有拷贝成功的数据字节数。 以上是对函数的一些说明，接下来让我们看看这个函数的内部面目： 参数to的时候有个__user限定，这个在~/include/linux/compiler.h中有如下定义： # define __user __attribute__((noderef, address_space(1))) 表示这是一个用户空间的地址，即其指向的为用户空间的内存 大家可能对这个__attribute__感到比较迷惑，不过没关系，google一下嘛 __attribute__是gnu c编译器的一个功能，它用来让开发者使用此功能给所声明的函数或者变量附加一个属性，以方便编译器进行错误检查，其实就是一个内核检查器。 具体可以参考如下： 接下来我们看一下 might_sleep();它有两个实现版本，debug版本和非debug版本： 在debug版本中，在有可能引起sleep的函数中会给出相应的提示，如果是在原子的上下文中执行，则会打印出栈跟踪的信息，这是通过__might_sleep(__FILE__, __LINE__);函数来实现的，并且接着调用might_resched()函数进行重新调度。 在非debug版本中直接调用might_resched()函数进行重新调度。 其实现方式为，在~/ include/linux/kernel.h中： #ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK_SLEEP void __might_sleep(char *file, int line); # define might_sleep() \ do { __might_sleep(__FILE__, __LINE__); might_resched(); } while (0) #else # define might_sleep() do { might_resched(); } while (0) #endif 接下来是一个检查参数合法性的宏： BUG_ON((long) n < 0); 其实现为如下(在~/include/asm-generic/bug.h): 它通过检查条件，根据结果来决定是否打印相应的提示信息； #ifdef CONFIG_BUG #ifndef HAVE_ARCH_BUG #define BUG() do { \ printk("BUG: failure at %s:%d/%s()!\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__); \ panic("BUG!"); \ } while (0) #endif #ifndef HAVE_ARCH_BUG_ON #define BUG_ON(condition) do { if (unlikely((condition)!=0)) BUG(); } while(0) #endif 接下来是一个宏 access_ok(VERIFY_WRITE, to, n) 它是用来检查参数中一个指向用户空间数据块的指针是否有效，如果有效返回非零，否则返回零。其实现如下(在/include/asm-i386/uaccess.h中)： #define access_ok(type,addr,size) (likely(__range_ok(addr,size) == 0)) 其中__range_ok(addr,size)的实现是通过内嵌汇编来实现的，内容如下(在/include/asm-i386/uaccess.h中)： #define __range_ok(addr,size) ({ \ unsigned long flag,sum; \ __chk_user_ptr(addr); \ asm("addl %3,%1 ; sbbl %0,%0; cmpl %1,%4; sbbl $0,%0" \ :"=&r" (flag), "=r" (sum) \ :"1" (addr),"g" ((int)(size)),"g" (current_thread_info()->addr_limit.seg)); \ flag; }) 其实现的功能为： (u33)addr + (u33)size >= (u33)current->addr_limit.seg 判断上式是否成立，若不成立则表示地址有效，返回零；否则返回非零 接下来的这个函数才是最重要的函数，它实现了拷贝的工作： __copy_to_user(to, from, n) 其实现方式如下(在/include/asm-i386/uaccess.h中)： static __always_inline unsigned long __must_check __copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n) { might_sleep(); return __copy_to_user_inatomic(to, from, n); } 有一个__always_inline宏，其内容就是inline，一个__must_check，其内容是在gcc3和gcc4版本里为__attribute__((warn_unused_result)) 其中might_sleep同上面__user时候的注释。 最终调用的是__copy_to_user_inatomic(to, from, n)来完成拷贝工作的，此函数的实现如下(在/include/asm-i386/uaccess.h中)： static __always_inline unsigned long __must_check __copy_to_user_inatomic(void __user *to, const void *from, unsigned long n) { if (__builtin_constant_p(n)) { unsigned long ret; switch (n) { case 1: __put_user_size(*(u8 *)from, (u8 __user *)to, 1, ret, 1); return ret; case 2: __put_user_size(*(u16 *)from, (u16 __user *)to, 2, ret, 2); return ret; case 4: __put_user_size(*(u32 *)from, (u32 __user *)to, 4, ret, 4); return ret; } } return __copy_to_user_ll(to, from, n); } 其中__builtin_constant_p(n)为gcc的内建函数，__builtin_constant_p用于判断一个值是否为编译时常熟，如果参数n的值为常数，函数返回1，否则返回0。很多计算或操作在参数为常数时有更优化的实现，在 GNU C 中用上面的方法可以根据参数是否为常数，只编译常数版本或非常数版本，这样既不失通用性，又能在参数是常数时编译出最优化的代码。 如果n为常数1、2或者4，就会选择某个swith来执行拷贝动作，拷贝是通过如下函数来实现的(在/include/asm-i386/uaccess.h中)： #ifdef CONFIG_X86_WP_WORKS_OK #define __put_user_size(x,ptr,size,retval,errret) \ do { \ retval = 0; \ __chk_user_ptr(ptr); \ switch (size) { \ case 1: __put_user_asm(x,ptr,retval,"b","b","iq",errret);break; \ case 2: __put_user_asm(x,ptr,retval,"w","w","ir",errret);break; \ case 4: __put_user_asm(x,ptr,retval,"l","","ir",errret); break; \ case 8: __put_user_u64((__typeof__(*ptr))(x),ptr,retval); break;\ default: __put_user_bad(); \ } \ } while (0) #else #define __put_user_size(x,ptr,size,retval,errret) \ do { \ __typeof__(*(ptr)) __pus_tmp = x; \ retval = 0; \ \ if(unlikely(__copy_to_user_ll(ptr, &__pus_tmp, size) != 0)) \ retval = errret; \ } while (0) #endif 其中__put_user_asm为一个宏，拷贝工作是通过如下的内联汇编来实现的(在/include/asm-i386/uaccess.h中)： #define __put_user_asm(x, addr, err, itype, rtype, ltype, errret) \ __asm__ __volatile__( \ "1: mov"itype" %"rtype"1,%2\n" \ "2:\n" \ ".section .fixup,\"ax\"\n" \ "3: movl %3,%0\n" \ " jmp 2b\n" \ ".previous\n" \ ".section __ex_table,\"a\"\n" \ " .align 4\n" \ " .long 1b,3b\n" \ ".previous" \ : "=r"(err) \ : ltype (x), "m"(__m(addr)), "i"(errret), "0"(err)) |
