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分类： LINUX
2009-12-22 08:48:08
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最近研究NetBSD，借助于TUN/TAP驱动程序，能够实现在一个系统中，创建一个虚拟网卡，来实施诸如OpenVPN、VTun等的功能。 那么，TUN/TAP驱动如何实现在内核空间和用户空间的数据拷贝呢？主要就靠的是这两个函数copy_to_user和copy_from_user。 Copy_from_user函数详细分析 copy_from_user函数的目的是从用户空间拷贝数据到内核空间，失败返回没有被拷贝的字节数，成功返回0. 这么简单的一个函数却含盖了许多关于内核方面的知识,比如内核关于异常出错的处理.从用户空间拷贝 数据到内核中时必须非常小心,如果用户空间的数据地址是个非法的地址,或是超出用户空间的范围，或是 那些地址还没有被映射到，都可能对内核产生很大的影响，如oops，或者被造成系统安全的影响.所以 copy_from_user函数的功能就不只是从用户空间拷贝数据那样简单了，它还要做一些指针检查以及处理这些 问题的方法.下面我们来仔细分析下这个函数.函数原型在[arch/i386/lib/usercopy.c]中 unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n) { might_sleep(); if (access_ok(VERIFY_READ, from, n)) n = __copy_from_user(to, from, n); else memset(to, 0, n); return n; } 首先这个函数是可以睡眠的,它调用might_sleep()来处理，它在include/linux/kernel.h中定义， 本质也就是调用schedule()，转到其他进程.接下来就要验证用户空间地址的有效性.它在 [/include/asm-i386/uaccess.h]中定义. #define access_ok(type,addr,size) (likely(__range_ok(addr,size) == 0)),进一步调用__rang_ok 函数来处理,它所做的测试很简单,就是比较addr+size这个地址的大小是否超出了用户进程空间的大小， 也就是0xbfffffff.可能有读者会问，只做地址范围检查，怎么不做指针合法性的检查呢，如果出现前面 提到过的问题怎么办?这个会在下面的函数中处理,我们慢慢看.在做完地址范围检查后,如果成功则调用 __copy_from_user函数开始拷贝数据了，如果失败的话，就把从to指针指向的内核空间地址到to+size范围 填充为0.__copy_from_user也在uaceess.h中定义， static inline unsigned long __copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n) { might_sleep(); return __copy_from_user_inatomic(to, from, n); } 这里继续调用__copy_from_user_inatomic. static inline unsigned long __copy_from_user_inatomic(void *to, const void __user *from, unsigned long n) { if (__builtin_constant_p(n)) { unsigned long ret; switch (n) { case 1: __get_user_size(*(u8 *)to, from, 1, ret, 1); return ret; case 2: __get_user_size(*(u16 *)to, from, 2, ret, 2); return ret; case 4: __get_user_size(*(u32 *)to, from, 4, ret, 4); return ret; } } return __copy_from_user_ll(to, from, n); } 这里先判断要拷贝的字节大小,如果是8,16,32大小的话，则调用__get_user_size来拷贝数据. 这样做是一种程序设计上的优化了。 #define __get_user_size(x,ptr,size,retval,errret) \ do { \ retval = 0; \ __chk_user_ptr(ptr); \ switch (size) { \ case 1: __get_user_asm(x,ptr,retval,"b","b","=q",errret);break; \ case 2: __get_user_asm(x,ptr,retval,"w","w","=r",errret);break; \ case 4: __get_user_asm(x,ptr,retval,"l","","=r",errret);break; \ default: (x) = __get_user_bad(); \ } \ } while (0) #define __get_user_asm(x, addr, err, itype, rtype, ltype, errret) \ __asm__ __volatile__( \ "1: mov"itype" %2,%"rtype"1\n" \ "2:\n" \ ".section .fixup,\"ax\"\n" \ "3: movl %3,%0\n" \ " xor"itype" %"rtype"1,%"rtype"1\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)) 实际上在完成一些宏的转换后,也就是利用movb,movw,movl指令传输数据了，对于 内嵌汇编中的.section .fixup, .section __ex_table，我们呆会要仔细讲。 如果不是那些特殊大小时，则调用__copy_from_user_ll处理。 unsigned long __copy_from_user_ll(void *to, const void __user *from, unsigned long n) { if (movsl_is_ok(to, from, n)) __copy_user_zeroing(to, from, n); else n = __copy_user_zeroing_intel(to, from, n); return n; } 直接调用__copy_user_zeroing开始真正的拷贝数据了，绕了那么多弯，总算快看到 出路了。copy_from_user函数的精华部分也就都在这了。 #define __copy_user_zeroing(to,from,size) \ do { \ int __d0, __d1, __d2; \ __asm__ __volatile__( \ " cmp $7,%0\n" \ " jbe 1f\n" \ " movl %1,%0\n" \ " negl %0\n" \ " andl $7,%0\n" \ " subl %0,%3\n" \ "4: rep; movsb\n" \ " movl %3,%0\n" \ " shrl $2,%0\n" \ " andl $3,%3\n" \ " .align 2,0x90\n" \ "0: rep; movsl\n" \ " movl %3,%0\n" \ "1: rep; movsb\n" \ "2:\n" \ ".section .fixup,\"ax\"\n" \ "5: addl %3,%0\n" \ " jmp 6f\n" \ "3: lea 0(%3,%0,4),%0\n" \ "6: pushl %0\n" \ " pushl %%eax\n" \ " xorl %%eax,%%eax\n" \ " rep; stosb\n" \ " popl %%eax\n" \ " popl %0\n" \ " jmp 2b\n" \ ".previous\n" \ ".section __ex_table,\"a\"\n" \ " .align 4\n" \ " .long 4b,5b\n" \ " .long 0b,3b\n" \ " .long 1b,6b\n" \ ".previous" \ : "=&c"(size), "=&D" (__d0), "=&S" (__d1), "=r"(__d2) \ : "3"(size), "0"(size), "1"(to), "2"(from) \ : "memory"); \ } while (0) 这个函数的前一部分比较简单，也就是拷贝数据.关于后一部分就会涉及到我们前面 提到过的那些情况了，如果用户空间的地址没被映射怎么办呢？在一些老的内核版本 中是用verify_area()来验证地址地址合法性的，比如在早期的linux 0.11内核. [linux0.11/kenrel/fork.c] // 进程空间写前验证函数。在现代CPU中，其控制寄存器CR0有个写保护标志位(wp:16),内核可以通过设置 // 该位来禁止特权级0的代码向用户空间只读页面执行写数据，否则将导致写保护异常。 // addr为内存物理地址 void verify_area(void * addr,int size) { unsigned long start; start = (unsigned long) addr; size += start & 0xfff; // start & 0xfff为起始地址addr在页面中的偏移，2^12=4096 start &= 0xfffff000; // start为页开始地址，即页面边界值。此时start为当前进程空间中的逻辑地址 start += get_base(current->ldt[2]); // get_base(current->ldt[2])为进程数据段在线性地址空间中的开始地址，在加上start，变为系统这个线性空间中的地址 页边界 addr ----size----- 页边界 +--------------------------------------------------------+ | ... | start&0xfff | | | ... | +--------------------------------------------------------+ | start | start-----------size------------- while (size>0) { size -= 4096; write_verify(start); // 以页为单位，进行写保护验证，如果页为只读，则将其变为可写 start += 4096; } } [linux0.11/mm/memory.c] // 验证线性地址是否可写 void write_verify(unsigned long address) { unsigned long page; // 如果对应页表为空的话，直接返回 if (!( (page = *((unsigned long *) ((address>>20) & 0xffc)) )&1)) return; page &= 0xfffff000; page += ((address>>10) & 0xffc); // 经过运算后page为页表项的内容，指向实际的一页物理地址 if ((3 & *(unsigned long *) page) == 1) // 验证页面是否可写，不可写则执行un_wp_page,取消写保护. un_wp_page((unsigned long *) page); return; } 但是如果每次在用户空间复制数据时，都要做这种检查是很浪费时间的，毕竟坏指针是很少 存在的，在新内核中的做法是，在从用户空间复制数据时，取消验证指针合法性的检查， 只多地址范围的检查，就象access_ok()所做的那样,一但碰上了坏指针，就要页异常出错处理 程序去处理它了.我们去看看do_page_fault函数. [arch/asm-i386/mm/fault.c/do_page_falut()] fastcall void do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code) { ... ... if (!down_read_trylock(&mm->mmap_sem)) { if ((error_code & 4) == 0 && !search_exception_tables(regs->eip)) goto bad_area_nosemaphore; down_read(&mm->mmap_sem); } ... ... bad_area_nosemaphore: ... no_context: if (fixup_exception(regs)) return; ... ... } error_code保存的是出错码,(error_code & 4) == 0代表产生异常的原因是在内核中. 它调用fixup_exception(regs)来处理这个问题.既然出错了，那么如何来修复它呢？ 先看下fixup_exception()函数的实现： [arch/asm-i386/mm/extable.c] int fixup_exception(struct pt_regs *regs) { const struct exception_table_entry *fixup; ... fixup = search_exception_tables(regs->eip); if (fixup) { regs->eip = fixup->fixup; return 1; } ... } [kernel/extable.c] const struct exception_table_entry *search_exception_tables(unsigned long addr) { const struct exception_table_entry *e; e = search_extable(__start___ex_table, __stop___ex_table-1, addr); if (!e) e = search_module_extables(addr); return e; } [/lib/extable.c] const struct exception_table_entry * search_extable(const struct exception_table_entry *first, const struct exception_table_entry *last, unsigned long value) { while (first <= last) { const struct exception_table_entry *mid; mid = (last - first) / 2 + first; if (mid->insn < value) first = mid + 1; else if (mid->insn > value) last = mid - 1; else return mid; } return NULL; } 在内核中有个异常出错地址表，在地址表中有个出错地址的修复地址也气对应，它结构如下： [/include/asm-i386/uaccess.h] struct exception_table_entry { unsigned long insn, fixup; }; insn是产生异常指令的地址，fixup用来修复出错地址的地址，也就是当异常发生后，用它的 地址来替换异常指令发生的地址。__copy_user_zeroing中的.section __ex_table代表异常出错 地址表的地址，.section .fixup代表修复的地址。他们都是elf文件格式中的2个特殊节。 ".section __ex_table,\"a\"\n" \ " .align 4\n" \ " .long 4b,5b\n" \ " .long 0b,3b\n" \ " .long 1b,6b\n" 4b,5b的意思是当出错地址在4b标号对应的地址上时，就转入5b标号对应的地址去接着运行， 也就是修复的地址。依次类推。所以理解这一点后，fixup_exception()函数就很容易看明白了 就是根据出错地址搜索异常地址表，找到对应的修复地址，跳转到那里去执行就ok了。 ok，到这里copy_from_user函数也就分析完了，如果有什么不明白的话，可以通过阅读 /usr/src/linux/Documentation/exception.txt来得到更多关于异常处理方面的知识。 |
