移植用户态程序到内核态

Linux环境下，在内核写程序限制很多，相比用户态程序：

n  不能使用C库

n  不能使用系统调用

n  理解内核各个部分的实现原理及相关函数的机制及作用

n  熟悉内核使用的锁机制并仔细处理跟锁相关的细节

 

之前做过将一个用户态的加密库（包括AES和RSA的实现）移植到内核态使用，主要涉及调试消息的打印，内存空间申请与释放，数据类型的转换，随机数的生成等问题。

 

没有printf，如何打印消息？

内核中可用printk函数来向将信息写到标准输出（或者日志文件）上，printk提供多种日志级别以适应多种不同的环境（如“调试消息”、“警告消息”、“紧急消息”）。

 

没有malloc，如何申请/释放内存？

内核栈的空间很小，通常接近两个物理页的大小，因此内核程序不能过度的使用栈空间，容易导致内核栈溢出。内核中提供kmalloc，vmalloc内存分配接口，kmalloc分配的内存在物理上连续，理论上有128KB大小的限制，其基于伙伴系统实现；vmalloc将一组非连续的物理页映射到连续的逻辑地址上，因此当需要获取大块内存时，需要使用到vmallloc。

 

数据类型的转换

内核中定义了一系列的定长数据类型，如__u8, __s8表示八位的无符号和有符号数，__s32, __u32表示32位的无符号和有符号数，使用定长数据类型，可增强程序的移植性。

 

如何获取随机数

不能使用C库的rand()函数了，可从/dev/random或/dev/urandom（收集系统的中断信息，这些信息都是随机产生的）文件中获取随机数。要想从这两个虚拟设备中读取数据，首先要解决如何在内核态读取文件的问题，该问题也可以扩展为如何在内核态使用系统调用，参见：http://blog.sina.com.cn/s/blog_6237dcca0100fb3y.html

系统调用的参数要求必须来自用户空间，所以，当在内核中使用系统调用的时候，必须使用set_fs(get_ds())来改变用户空间的限制，即扩大用户空间范围，因此即可使用在内核中的参数了。

 

注：在进程进入内核态后，FS寄存器默认指向进程的数据段。而DS,ES则指向内核数据段。在用户态运行时，这些寄存器都指向用户数据段

例：

static int __init init(void)
{
        mm_segment_t old_fs;
        printk("Hello, I'm the module that intends to write messages to file.\n");


        if(file == NULL)
                file = filp_open(MY_FILE, O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0644);
        if (IS_ERR(file)) {
                printk("error occured while opening file %s, exiting...\n", MY_FILE);
                return 0;
        }

        sprintf(buf,"%s", "The Messages.");

        old_fs = get_fs();
        set_fs(KERNEL_DS);
        file->f_op->write(file, (char *)buf, sizeof(buf), &file->f_pos);
        set_fs(old_fs);


        return 0;
}
如果报错，很可能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内核区。这个可以用set_fs()、get_fs()来解决。在读写文件前先得到当前fs：  
  mm_segment_t   old_fs=get_fs();  
  并设置当前fs为内核fs：set_fs(KERNEL_DS);  
  在读写文件后再恢复原先fs:   set_fs(old_fs);  
  set_fs()、get_fs()等相关宏在文件include/asm/uaccess.h中定义。  
  个人感觉这个办法比较简单。 

 　文件 uaccess.h：
　　#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)
　　// 取得内核空间范围 YRG
　　#define get_fs() (current->addr_limit)
　　// 取得用户空间范围 YRG
　　#define set_fs(x) (current->addr_limit = (x))
　　// 设置用户空间范围 YRG

解释一点:
    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 ->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->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！