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linux內(nèi)核中的copy_to_user和copy_from_user(一)

作者： 時間：2016-11-22 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
Kernel version：2.6.14

CPU architecture：ARM920T

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201611/319995.htm

Author：ce123(http://blog.csdn.net/ce123)

1.copy_from_user

在學(xué)習(xí)Linux內(nèi)核驅(qū)動的時候，經(jīng)常會碰到copy_from_user和copy_to_user這兩個函數(shù)，設(shè)備驅(qū)動程序中的ioctl函數(shù)就經(jīng)常會用到。這兩個函數(shù)負(fù)責(zé)在用戶空間和內(nèi)核空間傳遞數(shù)據(jù)。首先看看它們的定義(linux/include/asm-arm/uaccess.h)，先看copy_from_user：

[plain]view plaincopy
print?
  1. staticinlineunsignedlongcopy_from_user(void*to,constvoid__user*from,unsignedlongn)
  2. {
  3. if(access_ok(VERIFY_READ,from,n))
  4. n=__arch_copy_from_user(to,from,n);
  5. else/*securityhole-plugit*/
  6. memzero(to,n);
  7. returnn;
  8. }

先看函數(shù)的三個參數(shù)：*to是內(nèi)核空間的指針，*from是用戶空間指針，n表示從用戶空間想內(nèi)核空間拷貝數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。如果成功執(zhí)行拷貝操作，則返回0，否則返回還沒有完成拷貝的字節(jié)數(shù)。

這個函數(shù)從結(jié)構(gòu)上來分析，其實都可以分為兩個部分：
  1. 首先檢查用戶空間的地址指針是否有效；
  2. 調(diào)用__arch_copy_from_user函數(shù)。

1.1.access_ok

access_ok用來對用戶空間的地址指針from作某種有效性檢驗，這個宏和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)，在arm平臺上為(linux/include/asm-arm/uaccess.h)：

[plain]view plaincopy
print?
  1. #define__range_ok(addr,size)({
  2. unsignedlongflag,sum;
  3. __chk_user_ptr(addr);
  4. __asm__("adds%1,%2,%3;sbcccs%1,%1,%0;movcc%0,#0"
  5. :"=&r"(flag),"=&r"(sum)
  6. :"r"(addr),"Ir"(size),"0"(current_thread_info()->addr_limit)
  7. :"cc");
  8. flag;})
  10. #defineaccess_ok(type,addr,size)(__range_ok(addr,size)==0)
可以看到access_ok中第一個參數(shù)type并沒有用到，__range_ok的作用在于判斷addr+size之后是否還在進(jìn)程的用戶空間范圍之內(nèi)。下面我們具體看一下。這段代碼涉及到GCC內(nèi)聯(lián)匯編，不懂的朋友可以先看看這篇博客(http://blog.csdn.net/ce123/article/details/8209702)。
(1)unsigned long flag, sum;\定義兩個變量
  • flag：保存結(jié)果的變量：非零代表地址無效，零代表地址可以訪問。初始存放非零值(current_thread_info()->addr_limit)，也就是當(dāng)前進(jìn)程的地址上限值。
  • sum：保存要訪問的地址范圍末端，用于和當(dāng)前進(jìn)程地址空間限制數(shù)據(jù)做比較。
(2)__chk_user_ptr(addr);\定義是一個空函數(shù)
這個函數(shù)涉及到__CHECKER__宏的判斷，__CHECKER__宏在通過Sparse（Semantic Parser for C）工具對內(nèi)核代碼進(jìn)行檢查時會定義的。在使用make C=1或C=2時便會調(diào)用該工具，這個工具可以檢查在代碼中聲明了sparse所能檢查到的相關(guān)屬性的內(nèi)核函數(shù)和變量。
  • 如果定義了__CHECKER__，__chk_user_ptr和__chk_io_ptr在這里只聲明函數(shù)，沒有函數(shù)體，目的就是在編譯過程中Sparse能夠捕捉到編譯錯誤，檢查參數(shù)的類型。
  • 如果沒有定義__CHECKER__，這就是一個空函數(shù)。

請看具體的定義(linux/compiler.h)：

[plain]view plaincopy
print?
  1. #ifdef__CHECKER__
  2. ...
  3. externvoid__chk_user_ptr(void__user*);
  4. externvoid__chk_io_ptr(void__iomem*);
  5. #else
  6. ...
  7. #define__chk_user_ptr(x)(void)0
  8. #define__chk_io_ptr(x)(void)0
  9. ...
  10. #endif
(3)接下來是匯編：
adds %1, %2, %3
sum = addr + size 這個操作影響狀態(tài)位(目的是影響是進(jìn)位標(biāo)志C)，以下的兩個指令都帶有條件CC，也就是當(dāng)C=0的時候才執(zhí)行。

如果上面的加法指令進(jìn)位了（C=1），則以下的指令都不執(zhí)行，flag就為初始值current_thread_info()->addr_limit(非0)，并返回。
如果沒有進(jìn)位（C=0），就執(zhí)行下面的指令：
sbcccs %1, %1, %0
sum = sum - flag - 1，也就是(addr + size) - (current_thread_info()->addr_limit) - 1，操作影響符號位。
如果(addr + size) >= (current_thread_info()->addr_limit) - 1，則C=1
如果(addr + size) < (current_thread_info()->addr_limit) - 1，則C=0
當(dāng)C=0的時候執(zhí)行以下指令，否則跳過(flag非零)。
movcc %0, #0
flag = 0，給flag賦值0。

綜上所述：__range_ok宏其實等價于：

  • 如果(addr + size) >= (current_thread_info()->addr_limit) - 1，返回非零值
  • 如果(addr + size) < (current_thread_info()->addr_limit)，返回零
而access_ok就是檢驗將要操作的用戶空間的地址范圍是否在當(dāng)前進(jìn)程的用戶地址空間限制中。這個宏的功能很簡單，完全可以用C實現(xiàn)，不是必須使用匯編。但于這兩個函數(shù)使用頻繁，就使用匯編來實現(xiàn)部分功能來增加效率。
從這里再次可以認(rèn)識到，copy_from_user的使用是結(jié)合進(jìn)程上下文的，因為他們要訪問“user”的內(nèi)存空間，這個“user”必須是某個特定的進(jìn)程。通過上面的源碼就知道，其中使用了current_thread_info()來檢查空間是否可以訪問。如果在驅(qū)動中使用這兩個函數(shù)，必須是在實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用的函數(shù)中使用，不可在實現(xiàn)中斷處理的函數(shù)中使用。如果在中斷上下文中使用了，那代碼就很可能操作了根本不相關(guān)的進(jìn)程地址空間。其次由于操作的頁面可能被換出，這兩個函數(shù)可能會休眠，所以同樣不可在中斷上下文中使用。

1.2.__arch_copy_from_user

在深入講解之前，我們先想一個問題：為什么要使用copy_from_user函數(shù)？？？理論上，內(nèi)核空間可以直接使用用戶空間傳過來的指針，即使要做數(shù)據(jù)拷貝的動作，也可以直接使用memcpy，事實上，在沒有MMU的體系架構(gòu)上，copy_form_user最終的實現(xiàn)就是利用了memcpy。但對于大多數(shù)有MMU的平臺，情況就有了一些變化：用戶空間傳過來的指針是在虛擬地址空間上的，它指向的虛擬地址空間很可能還沒有真正映射到實際的物理頁面上。但這又能怎樣呢？缺頁導(dǎo)致的異常會透明的被內(nèi)核予以修復(fù)(為缺頁的地址空間提交新的物理頁面)，訪問到缺頁的指令會繼續(xù)運行仿佛什么都沒有發(fā)生一樣。但這只是用戶空間缺頁異常的行為，在內(nèi)核空間這樣卻因一場必須被顯示的修復(fù)，這是由內(nèi)核提供的缺頁異常處理函數(shù)的設(shè)計模式?jīng)Q定的，其背后的思想后：在內(nèi)核態(tài)中，如果程序試圖訪問一個尚未提交物理頁面的用戶空間地址，內(nèi)核必須對此保持警惕而不能像用戶空間那樣毫無察覺。
如果內(nèi)核訪問一個尚未被提交物理頁面的空間，將產(chǎn)生缺頁異常，內(nèi)核會調(diào)用do_page_fault，因為異常發(fā)生在內(nèi)核空間，do_page_fault將調(diào)用search_exception_tables在“ __ex_table”中查找異常指令的修復(fù)指令，在__arch_copy_from_user函數(shù)中經(jīng)常使用USER宏，這個宏中了定義了“__ex_table”section。
linux/include/asm-arm/assembler.h
[plain]view plaincopy
print?
  1. #defineUSER(x...)
  2. 9999:x;
  3. .section__ex_table,"a";
  4. .align3;
  5. .long9999b,9001f;
  6. .previous
該定義中有如下數(shù)據(jù)；
[plain]view plaincopy
print?
  1. .long9999b,9001f;
其中9999b對應(yīng)標(biāo)號9999處的指令，9001f是9001處的指令，是9999b處指令的修復(fù)指令。這樣，當(dāng)標(biāo)號9999處發(fā)生缺頁異常時，系統(tǒng)將調(diào)用do_page_fault提交物理頁面，然后跳到9001繼續(xù)執(zhí)行。
如果在驅(qū)動程序中不使用copy_from_user而用memcpy來代替，對于上述的情形會產(chǎn)生什么結(jié)果呢？當(dāng)標(biāo)號9999出發(fā)生缺頁異常時，系統(tǒng)在“__ex_table”section總將找不到修復(fù)地址，因為memcpy沒有像copy_from_user那樣定義一個“__ex_table”section，此時do_page_fault將通過no_context函數(shù)產(chǎn)生Oops。極有可能會看到類似如下信息：
Unable to handle kernel NULL pointer dereference at virtual address 00000fe0
所有為了確保設(shè)備驅(qū)動程序的安全，應(yīng)該使用copy_from_user函數(shù)而不是memcpy。
下面我們深入分析__arch_copy_from_user函數(shù)的實現(xiàn)，該函數(shù)是用匯編實現(xiàn)的，定義在linux/arch/arm/lib/uaccess.S文件中。

[plain]view plaincopy
print?
  1. /*Prototype:unsignedlong__arch_copy_from_user(void*to,constvoid*from,unsignedlongn);
  2. *Purpose:copyablockfromusermemorytokernelmemory
  3. *Params:to-kernelmemory
  4. *:from-usermemory
  5. *:n-numberofbytestocopy
  6. *Returns:NumberofbytesNOTcopied.
  7. */
  8. .cfu_dest_not_aligned:
  9. rsbip,ip,#4
  10. cmpip,#2
  11. USER(ldrbtr3,[r1],#1)@Mayfault
  12. strbr3,[r0],#1
  13. USER(ldrgebtr3,[r1],#1)@Mayfault
  14. strgebr3,[r0],#1
  15. USER(ldrgtbtr3,[r1],#1)@Mayfault
  16. strgtbr3,[r0],#1
  17. subr2,r2,ip
  18. b.cfu_dest_aligned
  20. ENTRY(__arch_copy_from_user)
  21. stmfdsp!,{r0,r2,r4-r7,lr}
  22. cmpr2,#4
  23. blt.cfu_not_enough
  24. PLD(pld[r1,#0])
  25. PLD(pld[r0,#0])
  26. andsip,r0,#3
  27. bne.cfu_dest_not_aligned
  28. .cfu_dest_aligned:
  29. andsip,r1,#3
  30. bne.cfu_src_not_aligned
  31. /*
  32. *Seeingastherehastobeatleast8bytestocopy,wecan
  33. *copyoneword,andforceauser-modepagefault...
  34. */
  36. .cfu_0fupi:subsr2,r2,#4
  37. addmiip,r2,#4
  38. bmi.cfu_0nowords
  39. USER(ldrtr3,[r1],#4)
  40. strr3,[r0],#4
  41. movip,r1,lsl#32-PAGE_SHIFT@Oneachpage,useald/st??tinstruction
  42. rsbip,ip,#0
  43. movsip,ip,lsr#32-PAGE_SHIFT
  44. beq.cfu_0fupi
  45. /*
  46. *ip=maxno.ofbytestocopybeforeneedinganother"strt"insn
  47. */
  48. cmpr2,ip
  49. movltip,r2
  50. subr2,r2,ip
  51. subsip,ip,#32
  52. blt.cfu_0rem8lp
  53. PLD(pld[r1,#28])
  54. PLD(pld[r0,#28])
  55. PLD(subsip,ip,#64)
  56. PLD(blt.cfu_0cpynopld)
  57. PLD(pld[r1,#60])
  58. PLD(pld[r0,#60])
  60. .cfu_0cpy8lp:
  61. PLD(pld[r1,#92])
  62. PLD(pld[r0,#92])
  63. .cfu_0cpynopld:ldmiar1!,{r3-r6}@Shouldntfault
  64. stmiar0!,{r3-r6}
  65. ldmiar1!,{r3-r6}@Shouldntfault
  66. subsip,ip,#32
  67. stmiar0!,{r3-r6}
  68. bpl.cfu_0cpy8lp
  69. PLD(cmnip,#64)
  70. PLD(bge.cfu_0cpynopld)
  71. PLD(addip,ip,#64)
  73. .cfu_0rem8lp:cmnip,#16
  74. ldmgeiar1!,{r3-r6}@Shouldntfault
  75. stmgeiar0!,{r3-r6}
  76. tstip,#8
  77. ldmneiar1!,{r3-r4}@Shouldntfault
  78. stmneiar0!,{r3-r4}
  79. tstip,#4
  80. ldrnetr3,[r1],#4@Shouldntfault
  81. strner3,[r0],#4
  82. andsip,ip,#3
  83. beq.cfu_0fupi
  84. .cfu_0nowords:teqip,#0
  85. beq.cfu_finished
  86. .cfu_nowords:cmpip,#2
  87. USER(ldrbtr3,[r1],#1)@Mayfault
  88. strbr3,[r0],#1
  89. USER(ldrgebtr3,[r1],#1)@Mayfault
  90. strgebr3,[r0],#1
  91. USER(ldrgtbtr3,[r1],#1)@Mayfault
  92. strgtbr3,[r0],#1
  93. b.cfu_finished
  95. .cfu_not_enough:
  96. movsip,r2
  97. bne.cfu_nowords
  98. .cfu_finished:movr0,#0
  99. addsp,sp,#8
  100. LOADREGS(fd,sp!,{r4-r7,pc})
  102. .cfu_src_not_aligned:
  103. bicr1,r1,#3
  104. USER(ldrtr7,[r1],#4)@Mayfault
  105. cmpip,#2
  106. bgt.cfu_3fupi
  107. beq.cfu_2fupi
  108. .cfu_1fupi:subsr2,r2,#4
  109. addmiip,r2,#4
  110. bmi.cfu_1nowords
  111. movr3,r7,pull#8
  112. USER(ldrtr7,[r1],#4)@Mayfault
  113. orrr3,r3,r7,push#24
  114. strr3,[r0],#4
  115. movip,r1,lsl#32-PAGE_SHIFT
  116. rsbip,ip,#0
  117. movsip,ip,lsr#32-PAGE_SHIFT
  118. beq.cfu_1fupi
  119. cmpr2,ip
  120. movltip,r2
  121. subr2,r2,ip
  122. subsip,ip,#16
  123. blt.cfu_1rem8lp
  124. PLD(pld[r1,#12])
  125. PLD(pld[r0,#12])
  126. PLD(subsip,ip,#32)
  127. PLD(blt.cfu_1cpynopld)
  128. PLD(pld[r1,#28])
  129. PLD(pld[r0,#28])
  131. .cfu_1cpy8lp:
  132. PLD(pld[r1,#44])
  133. PLD(pld[r0,#44])
  134. .cfu_1cpynopld:movr3,r7,pull#8
  135. ldmiar1!,{r4-r7}@Shouldntfault
  136. subsip,ip,#16
  137. orrr3,r3,r4,push#24
  138. movr4,r4,pull#8
  139. orrr4,r4,r5,push#24
  140. movr5,r5,pull#8
  141. orrr5,r5,r6,push#24
  142. movr6,r6,pull#8
  143. orrr6,r6,r7,push#24
  144. stmiar0!,{r3-r6}
  145. bpl.cfu_1cpy8lp
  146. PLD(cmnip,#32)
  147. PLD(bge.cfu_1cpynopld)
  148. PLD(addip,ip,#32)
  150. .cfu_1rem8lp:tstip,#8
  151. movner3,r7,pull#8
  152. ldmneiar1!,{r4,r7}@Shouldntfault
  153. orrner3,r3,r4,push#24
  154. movner4,r4,pull#8
  155. orrner4,r4,r7,push#24
  156. stmneiar0!,{r3-r4}
  157. tstip,#4
  158. movner3,r7,pull#8
  159. USER(ldrnetr7,[r1],#4)@Mayfault
  160. orrner3,r3,r7,push#24
  161. strner3,[r0],#4
  162. andsip,ip,#3
  163. beq.cfu_1fupi
  164. .cfu_1nowords:movr3,r7,get_byte_1
  165. teqip,#0
  166. beq.cfu_finished
  167. cmpip,#2
  168. strbr3,[r0],#1
  169. movger3,r7,get_byte_2
  170. strgebr3,[r0],#1
  171. movgtr3,r7,get_byte_3
  172. strgtbr3,[r0],#1
  173. b.cfu_finished
  175. .cfu_2fupi:subsr2,r2,#4
  176. addmiip,r2,#4
  177. bmi.cfu_2nowords
  178. movr3,r7,pull#16
  179. USER(ldrtr7,[r1],#4)@Mayfault
  180. orrr3,r3,r7,push#16
  181. strr3,[r0],#4
  182. movip,r1,lsl#32-PAGE_SHIFT
  183. rsbip,ip,#0
  184. movsip,ip,lsr#32-PAGE_SHIFT
  185. beq.cfu_2fupi
  186. cmpr2,ip
  187. movltip,r2
  188. subr2,r2,ip
  189. subsip,ip,#16
  190. blt.cfu_2rem8lp
  191. PLD(pld[r1,#12])
  192. PLD(pld[r0,#12])
  193. PLD(subsip,ip,#32)
  194. PLD(blt.cfu_2cpynopld)
  195. PLD(pld[r1,#28])
  196. PLD(pld[r0,#28])
  198. .cfu_2cpy8lp:
  199. PLD(pld[r1,#44])
  200. PLD(pld[r0,#44])
  201. .cfu_2cpynopld:movr3,r7,pull#16
  202. ldmiar1!,{r4-r7}@Shouldntfault
  203. subsip,ip,#16
  204. orrr3,r3,r4,push#16
  205. movr4,r4,pull#16
  206. orrr4,r4,r5,push#16
  207. movr5,r5,pull#16
  208. orrr5,r5,r6,push#16
  209. movr6,r6,pull#16
  210. orrr6,r6,r7,push#16
  211. stmiar0!,{r3-r6}
  212. bpl.cfu_2cpy8lp
  213. PLD(cmnip,#32)
  214. PLD(bge.cfu_2cpynopld)
  215. PLD(addip,ip,#32)
  217. .cfu_2rem8lp:tstip,#8
  218. movner3,r7,pull#16
  219. ldmneiar1!,{r4,r7}@Shouldntfault
  220. orrner3,r3,r4,push#16
  221. movner4,r4,pull#16
  222. orrner4,r4,r7,push#16
  223. stmneiar0!,{r3-r4}
  224. tstip,#4
  225. movner3,r7,pull#16
  226. USER(ldrnetr7,[r1],#4)@Mayfault
  227. orrner3,r3,r7,push#16
  228. strner3,[r0],#4
  229. andsip,ip,#3
  230. beq.cfu_2fupi
  231. .cfu_2nowords:movr3,r7,get_byte_2
  232. teqip,#0
  233. beq.cfu_finished
  234. cmpip,#2
  235. strbr3,[r0],#1
  236. movger3,r7,get_byte_3
  237. strgebr3,[r0],#1
  238. USER(ldrgtbtr3,[r1],#0)@Mayfault
  239. strgtbr3,[r0],#1
  240. b.cfu_finished
  242. .cfu_3fupi:subsr2,r2,#4
  243. addmiip,r2,#4
  244. bmi.cfu_3nowords
  245. movr3,r7,pull#24
  246. USER(ldrtr7,[r1],#4)@Mayfault
  247. orrr3,r3,r7,push#8
  248. strr3,[r0],#4
  249. movip,r1,lsl#32-PAGE_SHIFT
  250. rsbip,ip,#0
  251. movsip,ip,lsr#32-PAGE_SHIFT
  252. beq.cfu_3fupi
  253. cmpr2,ip
  254. movltip,r2
  255. subr2,r2,ip
  256. subsip,ip,#16
  257. blt.cfu_3rem8lp
  258. PLD(pld[r1,#12])
  259. PLD(pld[r0,#12])
  260. PLD(subsip,ip,#32)
  261. PLD(blt.cfu_3cpynopld)
  262. PLD(pld[r1,#28])
  263. PLD(pld[r0,#28])
  265. .cfu_3cpy8lp:
  266. PLD(pld[r1,#44])
  267. PLD(pld[r0,#44])
  268. .cfu_3cpynopld:movr3,r7,pull#24
  269. ldmiar1!,{r4-r7}@Shouldntfault
  270. orrr3,r3,r4,push#8
  271. movr4,r4,pull#24
  272. orrr4,r4,r5,push#8
  273. movr5,r5,pull#24
  274. orrr5,r5,r6,push#8
  275. movr6,r6,pull#24
  276. orrr6,r6,r7,push#8
  277. stmiar0!,{r3-r6}
  278. subsip,ip,#16
  279. bpl.cfu_3cpy8lp
  280. PLD(cmnip,#32)
  281. PLD(bge.cfu_3cpynopld)
  282. PLD(addip,ip,#32)
  284. .cfu_3rem8lp:tstip,#8
  285. movner3,r7,pull#24
  286. ldmneiar1!,{r4,r7}@Shouldntfault
  287. orrner3,r3,r4,push#8
  288. movner4,r4,pull#24
  289. orrner4,r4,r7,push#8
  290. stmneiar0!,{r3-r4}
  291. tstip,#4
  292. movner3,r7,pull#24
  293. USER(ldrnetr7,[r1],#4)@Mayfault
  294. orrner3,r3,r7,push#8
  295. strner3,[r0],#4
  296. andsip,ip,#3
  297. beq.cfu_3fupi
  298. .cfu_3nowords:movr3,r7,get_byte_3
  299. teqip,#0
  300. beq.cfu_finished
  301. cmpip,#2
  302. strbr3,[r0],#1
  303. USER(ldrgebtr3,[r1],#1)@Mayfault
  304. strgebr3,[r0],#1
  305. USER(ldrgtbtr3,[r1],#1)@Mayfault
  306. strgtbr3,[r0],#1
  307. b.cfu_finished
  309. .section.fixup,"ax"
  310. .align0
  311. /*
  312. *Wetookanexception.r0containsapointerto
  313. *thebytenotcopied.
  314. */
  315. 9001:ldrr2,[sp],#4@void*to
  316. subr2,r0,r2@bytescopied
  317. ldrr1,[sp],#4@unsignedlongcount
  318. subsr4,r1,r2@byteslefttocopy
  319. movner1,r4
  320. blne__memzero
  321. movr0,r4
  322. LOADREGS(fd,sp!,{r4-r7,pc})
  323. .previous
我們將在另一篇博文中詳細(xì)分析該函數(shù)。

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