在linux内核中读写文件

1. 序曲

在用户态，读写文件可以通过read和write这两个系统调用来完成(C库函数实际上是对系统调用的封装)。 但是，在内核态没有这样的系统调用，我们又该如何读写文件呢？

阅读linux内核源码，可以知道陷入内核执行的是实际执行的是sys_read和sys_write这两个函数，但是这两个函数没有使用EXPORT_SYMBOL导出，也就是说其他模块不能使用。

在fs/open.c中系统调用具体实现如下(内核版本2.6.34.1)：

SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *, filename, int, flags, int, mode)

{

long ret;

       if (force_o_largefile())

              flags |= O_LARGEFILE;

 

       ret = do_sys_open(AT_FDCWD, filename, flags, mode);

       /* avoid REGPARM breakage on x86: */

       asmlinkage_protect(3, ret, filename, flags, mode);

       return ret;

}

跟踪do_sys_open()函数，就会发现它主要使用了do_filp_open()函数该函数在fs/namei.c中，而在该文件中，filp_open函数也是调用了do_filp_open函数，并且接口和sys_open函数极为相似，调用参数也和sys_open一样，并且使用EXPORT_SYMBOL导出了，所以我们猜想该函数可以打开文件，功能和open一样。

使用同样的方法，找出了一组在内核操作文件的函数，如下：

功能	函数原型
打开文件	struct file *filp_open(const char *filename, int flags, int mode)
读文件	ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
写文件	ssize_t vfs_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
关闭文件	int filp_close(struct file *filp, fl_owner_t id)

 

2. 内核空间与用户空间

在vfs_read和vfs_write函数中，其参数buf指向的用户空间的内存地址，如果我们直接使用内核空间的指针，则会返回-EFALUT。这是因为使用的缓冲区超过了用户空间的地址范围。一般系统调用会要求你使用的缓冲区不能在区。这个可以用set_fs()、get_fs()来解决。

在include/asm/uaccess.h中，有如下定义：

#define MAKE_MM_SEG(s) ((mm_segment_t) { (s) })

#define KERNEL_DS MAKE_MM_SEG(0xFFFFFFFF)

#define USER_DS MAKE_MM_SEG(PAGE_OFFSET)

#define get_ds() (KERNEL_DS)

#define get_fs() (current->addr_limit)

#define set_fs(x) (current->addr_limit = (x))

 

如果使用，如下：

mm_segment_t fs = get_fs();

set_fs(KERNEL_FS);

//vfs_write();

vfs_read();

set_fs(fs);

 

详尽解释：系统调用本来是提供给用户空间的程序访问的，所以，对传递给它的参数（比如上面的buf），它默认会认为来自用户空间，在read或write()函数中，为了保护内核空间，一般会用get_fs()得到的值来和USER_DS进行比较，从而防止用户空间程序“蓄意”破坏内核空间；而现在要在内核空间使用系统调用，此时传递给read或write（）的参数地址就是内核空间的地址了，在USER_DS之上(USER_DS ~ KERNEL_DS)，如果不做任何其它处理，在write()函数中，会认为该地址超过了USER_DS范围，所以会认为是用户空间的“蓄意破坏”，从而不允许进一步的执行；为了解决这个问题； set_fs(KERNEL_DS);将其能访问的空间限制扩大到KERNEL_DS,这样就可以在内核顺利使用系统调用了！

在VFS的支持下，用户态进程读写任何类型的文件系统都可以使用read和write着两个系统调用，但是在linux内核中没有这样的系统调用我们如何操作文件呢？我们知道read和write在进入内核态之后，实际执行的是sys_read和sys_write，但是查看内核源代码，发现这些操作文件的函数都没有导出(使用EXPORT_SYMBOL导出)，也就是说在内核模块中是不能使用的，那如何是好？

通过查看sys_open的源码我们发现，其主要使用了do_filp_open()函数，该函数在fs/namei.c中，而在改文件中，filp_open函数也是调用了do_filp_open函数，并且接口和sys_open函数极为相似，调用参数也和sys_open一样，并且使用EXPORT_SYMBOL导出了，所以我们猜想该函数可以打开文件，功能和open一样。使用同样的查找方法，我们找出了一组在内核中操作文件的函数，如下：

功能	函数原型
打开文件	struct file *filp_open(const char *filename,int flags, int mode)
读取文件	ssize_t vfs_read(struct file *file,char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
写文件	ssize_t vfs_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *pos)
关闭文件	int filp_close(struct file *filp, fl_owner_t id)

 

我们注意到在vfs_read和vfs_write函数中，其参数buf指向的用户空间的内存地址，如果我们直接使用内核空间的指针，则会返回-EFALUT。所以我们需要使用
set_fs()和get_fs()宏来改变内核对内存地址检查的处理方式，所以在内核空间对文件的读写流程为：

1. mm_segment_tfs = get_fs();
2. set_fs(KERNEL_FS);
3. //vfs_write();
4. vfs_read();
5. set_fs(fs);

下面为一个在内核中对文件操作的例子：

1. #include <linux/module.h>
2. #include <linux/init.h>
3. #include <linux/fs.h>
4. #include <linux/uaccess.h>
5. static charbuf[] ="你好";
6. static charbuf1[10];
7.  
8. int __inithello_init(void)
9. {
10.     struct file *fp;
11.     mm_segment_t fs;
12.     loff_t pos;
13.     printk("hello enter/n");
14.     fp =filp_open("/home/niutao/kernel_file",O_RDWR | O_CREAT,0644);
15.     if (IS_ERR(fp)){
16.         printk("create file error/n");
17.         return -1;
18.     }
19.     fs =get_fs();
20.     set_fs(KERNEL_DS);
21.     pos =0;
22.     vfs_write(fp,buf, sizeof(buf), &pos);
23.     pos =0;
24.     vfs_read(fp,buf1, sizeof(buf), &pos);
25.     printk("read: %s/n",buf1);
26.     filp_close(fp,NULL);
27.     set_fs(fs);
28.     return 0;
29. }
30. void __exithello_exit(void)
31. {
32.     printk("hello exit/n");
33. }
34.  
35. module_init(hello_init);
36. module_exit(hello_exit);
37.  
38. MODULE_LICENSE("GPL");