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)

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Kernel version：2.6.14

CPU architecture：ARM920T

本文引用地址：http://www.biyoush.com/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?

staticinlineunsignedlongcopy_from_user(void*to,constvoid__user*from,unsignedlongn)
{
if(access_ok(VERIFY_READ,from,n))
n=__arch_copy_from_user(to,from,n);
else/*securityhole-plugit*/
memzero(to,n);
returnn;
}

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：

首先檢查用戶空間的地址指針是否有效；
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?

#define__range_ok(addr,size)({
unsignedlongflag,sum;
__chk_user_ptr(addr);
__asm__("adds%1,%2,%3;sbcccs%1,%1,%0;movcc%0,#0"
:"=&r"(flag),"=&r"(sum)
:"r"(addr),"Ir"(size),"0"(current_thread_info()->addr_limit)
:"cc");
flag;})
#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?

#ifdef__CHECKER__
...
externvoid__chk_user_ptr(void__user*);
externvoid__chk_io_ptr(void__iomem*);
#else
...
#define__chk_user_ptr(x)(void)0
#define__chk_io_ptr(x)(void)0
...
#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?

#defineUSER(x...)
9999:x;
.section__ex_table,"a";
.align3;
.long9999b,9001f;
.previous

該定義中有如下數(shù)據(jù)；

[plain]view plaincopy

print?

.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?

/*Prototype:unsignedlong__arch_copy_from_user(void*to,constvoid*from,unsignedlongn);
*Purpose:copyablockfromusermemorytokernelmemory
*Params:to-kernelmemory
*:from-usermemory
*:n-numberofbytestocopy
*Returns:NumberofbytesNOTcopied.
*/
.cfu_dest_not_aligned:
rsbip,ip,#4
cmpip,#2
USER(ldrbtr3,[r1],#1)@Mayfault
strbr3,[r0],#1
USER(ldrgebtr3,[r1],#1)@Mayfault
strgebr3,[r0],#1
USER(ldrgtbtr3,[r1],#1)@Mayfault
strgtbr3,[r0],#1
subr2,r2,ip
b.cfu_dest_aligned
ENTRY(__arch_copy_from_user)
stmfdsp!,{r0,r2,r4-r7,lr}
cmpr2,#4
blt.cfu_not_enough
PLD(pld[r1,#0])
PLD(pld[r0,#0])
andsip,r0,#3
bne.cfu_dest_not_aligned
.cfu_dest_aligned:
andsip,r1,#3
bne.cfu_src_not_aligned
/*
*Seeingastherehastobeatleast8bytestocopy,wecan
*copyoneword,andforceauser-modepagefault...
*/
.cfu_0fupi:subsr2,r2,#4
addmiip,r2,#4
bmi.cfu_0nowords
USER(ldrtr3,[r1],#4)
strr3,[r0],#4
movip,r1,lsl#32-PAGE_SHIFT@Oneachpage,useald/st??tinstruction
rsbip,ip,#0
movsip,ip,lsr#32-PAGE_SHIFT
beq.cfu_0fupi
/*
*ip=maxno.ofbytestocopybeforeneedinganother"strt"insn
*/
cmpr2,ip
movltip,r2
subr2,r2,ip
subsip,ip,#32
blt.cfu_0rem8lp
PLD(pld[r1,#28])
PLD(pld[r0,#28])
PLD(subsip,ip,#64)
PLD(blt.cfu_0cpynopld)
PLD(pld[r1,#60])
PLD(pld[r0,#60])
.cfu_0cpy8lp:
PLD(pld[r1,#92])
PLD(pld[r0,#92])
.cfu_0cpynopld:ldmiar1!,{r3-r6}@Shouldntfault
stmiar0!,{r3-r6}
ldmiar1!,{r3-r6}@Shouldntfault
subsip,ip,#32
stmiar0!,{r3-r6}
bpl.cfu_0cpy8lp
PLD(cmnip,#64)
PLD(bge.cfu_0cpynopld)
PLD(addip,ip,#64)
.cfu_0rem8lp:cmnip,#16
ldmgeiar1!,{r3-r6}@Shouldntfault
stmgeiar0!,{r3-r6}
tstip,#8
ldmneiar1!,{r3-r4}@Shouldntfault
stmneiar0!,{r3-r4}
tstip,#4
ldrnetr3,[r1],#4@Shouldntfault
strner3,[r0],#4
andsip,ip,#3
beq.cfu_0fupi
.cfu_0nowords:teqip,#0
beq.cfu_finished
.cfu_nowords:cmpip,#2
USER(ldrbtr3,[r1],#1)@Mayfault
strbr3,[r0],#1
USER(ldrgebtr3,[r1],#1)@Mayfault
strgebr3,[r0],#1
USER(ldrgtbtr3,[r1],#1)@Mayfault
strgtbr3,[r0],#1
b.cfu_finished
.cfu_not_enough:
movsip,r2
bne.cfu_nowords
.cfu_finished:movr0,#0
addsp,sp,#8
LOADREGS(fd,sp!,{r4-r7,pc})
.cfu_src_not_aligned:
bicr1,r1,#3
USER(ldrtr7,[r1],#4)@Mayfault
cmpip,#2
bgt.cfu_3fupi
beq.cfu_2fupi
.cfu_1fupi:subsr2,r2,#4
addmiip,r2,#4
bmi.cfu_1nowords
movr3,r7,pull#8
USER(ldrtr7,[r1],#4)@Mayfault
orrr3,r3,r7,push#24
strr3,[r0],#4
movip,r1,lsl#32-PAGE_SHIFT
rsbip,ip,#0
movsip,ip,lsr#32-PAGE_SHIFT
beq.cfu_1fupi
cmpr2,ip
movltip,r2
subr2,r2,ip
subsip,ip,#16
blt.cfu_1rem8lp
PLD(pld[r1,#12])
PLD(pld[r0,#12])
PLD(subsip,ip,#32)
PLD(blt.cfu_1cpynopld)
PLD(pld[r1,#28])
PLD(pld[r0,#28])
.cfu_1cpy8lp:
PLD(pld[r1,#44])
PLD(pld[r0,#44])
.cfu_1cpynopld:movr3,r7,pull#8
ldmiar1!,{r4-r7}@Shouldntfault
subsip,ip,#16
orrr3,r3,r4,push#24
movr4,r4,pull#8
orrr4,r4,r5,push#24
movr5,r5,pull#8
orrr5,r5,r6,push#24
movr6,r6,pull#8
orrr6,r6,r7,push#24
stmiar0!,{r3-r6}
bpl.cfu_1cpy8lp
PLD(cmnip,#32)
PLD(bge.cfu_1cpynopld)
PLD(addip,ip,#32)
.cfu_1rem8lp:tstip,#8
movner3,r7,pull#8
ldmneiar1!,{r4,r7}@Shouldntfault
orrner3,r3,r4,push#24
movner4,r4,pull#8
orrner4,r4,r7,push#24
stmneiar0!,{r3-r4}
tstip,#4
movner3,r7,pull#8
USER(ldrnetr7,[r1],#4)@Mayfault
orrner3,r3,r7,push#24
strner3,[r0],#4
andsip,ip,#3
beq.cfu_1fupi
.cfu_1nowords:movr3,r7,get_byte_1
teqip,#0
beq.cfu_finished
cmpip,#2
strbr3,[r0],#1
movger3,r7,get_byte_2
strgebr3,[r0],#1
movgtr3,r7,get_byte_3
strgtbr3,[r0],#1
b.cfu_finished
.cfu_2fupi:subsr2,r2,#4
addmiip,r2,#4
bmi.cfu_2nowords
movr3,r7,pull#16
USER(ldrtr7,[r1],#4)@Mayfault
orrr3,r3,r7,push#16
strr3,[r0],#4
movip,r1,lsl#32-PAGE_SHIFT
rsbip,ip,#0
movsip,ip,lsr#32-PAGE_SHIFT
beq.cfu_2fupi
cmpr2,ip
movltip,r2
subr2,r2,ip
subsip,ip,#16
blt.cfu_2rem8lp
PLD(pld[r1,#12])
PLD(pld[r0,#12])
PLD(subsip,ip,#32)
PLD(blt.cfu_2cpynopld)
PLD(pld[r1,#28])
PLD(pld[r0,#28])
.cfu_2cpy8lp:
PLD(pld[r1,#44])
PLD(pld[r0,#44])
.cfu_2cpynopld:movr3,r7,pull#16
ldmiar1!,{r4-r7}@Shouldntfault
subsip,ip,#16
orrr3,r3,r4,push#16
movr4,r4,pull#16
orrr4,r4,r5,push#16
movr5,r5,pull#16
orrr5,r5,r6,push#16
movr6,r6,pull#16
orrr6,r6,r7,push#16
stmiar0!,{r3-r6}
bpl.cfu_2cpy8lp
PLD(cmnip,#32)
PLD(bge.cfu_2cpynopld)
PLD(addip,ip,#32)
.cfu_2rem8lp:tstip,#8
movner3,r7,pull#16
ldmneiar1!,{r4,r7}@Shouldntfault
orrner3,r3,r4,push#16
movner4,r4,pull#16
orrner4,r4,r7,push#16
stmneiar0!,{r3-r4}
tstip,#4
movner3,r7,pull#16
USER(ldrnetr7,[r1],#4)@Mayfault
orrner3,r3,r7,push#16
strner3,[r0],#4
andsip,ip,#3
beq.cfu_2fupi
.cfu_2nowords:movr3,r7,get_byte_2
teqip,#0
beq.cfu_finished
cmpip,#2
strbr3,[r0],#1
movger3,r7,get_byte_3
strgebr3,[r0],#1
USER(ldrgtbtr3,[r1],#0)@Mayfault
strgtbr3,[r0],#1
b.cfu_finished
.cfu_3fupi:subsr2,r2,#4
addmiip,r2,#4
bmi.cfu_3nowords
movr3,r7,pull#24
USER(ldrtr7,[r1],#4)@Mayfault
orrr3,r3,r7,push#8
strr3,[r0],#4
movip,r1,lsl#32-PAGE_SHIFT
rsbip,ip,#0
movsip,ip,lsr#32-PAGE_SHIFT
beq.cfu_3fupi
cmpr2,ip
movltip,r2
subr2,r2,ip
subsip,ip,#16
blt.cfu_3rem8lp
PLD(pld[r1,#12])
PLD(pld[r0,#12])
PLD(subsip,ip,#32)
PLD(blt.cfu_3cpynopld)
PLD(pld[r1,#28])
PLD(pld[r0,#28])
.cfu_3cpy8lp:
PLD(pld[r1,#44])
PLD(pld[r0,#44])
.cfu_3cpynopld:movr3,r7,pull#24
ldmiar1!,{r4-r7}@Shouldntfault
orrr3,r3,r4,push#8
movr4,r4,pull#24
orrr4,r4,r5,push#8
movr5,r5,pull#24
orrr5,r5,r6,push#8
movr6,r6,pull#24
orrr6,r6,r7,push#8
stmiar0!,{r3-r6}
subsip,ip,#16
bpl.cfu_3cpy8lp
PLD(cmnip,#32)
PLD(bge.cfu_3cpynopld)
PLD(addip,ip,#32)
.cfu_3rem8lp:tstip,#8
movner3,r7,pull#24
ldmneiar1!,{r4,r7}@Shouldntfault
orrner3,r3,r4,push#8
movner4,r4,pull#24
orrner4,r4,r7,push#8
stmneiar0!,{r3-r4}
tstip,#4
movner3,r7,pull#24
USER(ldrnetr7,[r1],#4)@Mayfault
orrner3,r3,r7,push#8
strner3,[r0],#4
andsip,ip,#3
beq.cfu_3fupi
.cfu_3nowords:movr3,r7,get_byte_3
teqip,#0
beq.cfu_finished
cmpip,#2
strbr3,[r0],#1
USER(ldrgebtr3,[r1],#1)@Mayfault
strgebr3,[r0],#1
USER(ldrgtbtr3,[r1],#1)@Mayfault
strgtbr3,[r0],#1
b.cfu_finished
.section.fixup,"ax"
.align0
/*
*Wetookanexception.r0containsapointerto
*thebytenotcopied.
*/
9001:ldrr2,[sp],#4@void*to
subr2,r0,r2@bytescopied
ldrr1,[sp],#4@unsignedlongcount
subsr4,r1,r2@byteslefttocopy
movner1,r4
blne__memzero
movr0,r4
LOADREGS(fd,sp!,{r4-r7,pc})
.previous

我們將在另一篇博文中詳細(xì)分析該函數(shù)。

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

1.copy_from_user

1.1.access_ok

1.2.__arch_copy_from_user

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