linux内核中的get_user和put_user

2022-01-25 10:18:14

linux内核中的get_user和put_user

在
内核空间和用户空间交换数据时，get_user和put_user是两个两用的函数。相对于copy_to_user和
copy_from_user(将在另一篇博客中分析)，这两个函数主要用于完成一些简单类型变量(char、int、long等)的拷贝任务，对于一些
复合类型的变量，比如数据结构或者数组类型，get_user和put_user函数还是无法胜任，这两个函数内部将对指针指向的对象长度进行检查，在
arm平台上只支持长度为1，2，4，8的变量。下面我具体分析，首先看get_user的定义(linux/include/asm-arm
/uaccess.h)：

  1. extern int __get_user_1(void *);
  2. extern int __get_user_2(void *);
  3. extern int __get_user_4(void *);
  4. extern int __get_user_8(void *);
  5. extern int __get_user_bad(void);
  6. #define __get_user_x(__r2,__p,__e,__s,__i...)               \
  7. __asm__ __volatile__ (                   \
  8. __asmeq("%0", "r0") __asmeq("%1", "r2")         \ //
    进行判断(#define __asmeq(x, y)  ".ifnc " x "," y " ; .err ; .endif\n\t")
  9. "bl __get_user_" #__s               \ //根据参数调用不同的函数，此时r0=指向用户空间的指针，r2=内核空间的变量
  10. : "=&r" (__e), "=r" (__r2)              \
  11. : "0" (__p)                     \
  12. : __i, "cc")
  13. #define get_user(x,p)                           \
  14. ({                              \
  15. const register typeof(*(p)) __user *__p asm("r0") = (p);\ //__p的数据类型和*(p)的指针数据类型是一样的，__p = p，且存放在r0寄存器中
  16. register typeof(*(p)) __r2 asm("r2");           \ //__r2的数据类型和*(p)的数据类型是一样的，且存放在r2寄存器中
  17. register int __e asm("r0");             \ //定义__e，存放在寄存器r0，作为返回值
  18. switch (sizeof(*(__p))) {               \ //对__p所指向的对象长度进行检查，并根据长度调用响应的函数
  19. case 1:                         \
  20. __get_user_x(__r2, __p, __e, 1, "lr");      \
  21. break;                      \
  22. case 2:                         \
  23. __get_user_x(__r2, __p, __e, 2, "r3", "lr");    \
  24. break;                      \
  25. case 4:                         \
  26. __get_user_x(__r2, __p, __e, 4, "lr");      \
  27. break;                      \
  28. case 8:                         \
  29. __get_user_x(__r2, __p, __e, 8, "lr");      \
  30. break;                      \
  31. default: __e = __get_user_bad(); break;         \ //默认处理
  32. }                           \
  33. x = __r2;                       \
  34. __e;                            \
  35. })

上
面的源码涉及到gcc的内联汇编，不太了解的朋友可以参考前面的博客(http://blog.csdn.net/ce123/article
/details/8209702)。继续，跟踪__get_user_1等函数的执行，它们的定义如下(linux/arch/arm/lib
/getuser.S)。

  1. .global __get_user_1
  2. __get_user_1:
  3. 1:  ldrbt   r2, [r0]
  4. mov r0, #0
  5. mov pc, lr
  6. .global __get_user_2
  7. __get_user_2:
  8. 2:  ldrbt   r2, [r0], #1
  9. 3:  ldrbt   r3, [r0]
  10. #ifndef __ARMEB__
  11. orr r2, r2, r3, lsl #8
  12. #else
  13. orr r2, r3, r2, lsl #8
  14. #endif
  15. mov r0, #0
  16. mov pc, lr
  17. .global __get_user_4
  18. __get_user_4:
  19. 4:  ldrt    r2, [r0]
  20. mov r0, #0
  21. mov pc, lr
  22. .global __get_user_8
  23. __get_user_8:
  24. 5:  ldrt    r2, [r0], #4
  25. 6:  ldrt    r3, [r0]
  26. mov r0, #0
  27. mov pc, lr
  28. __get_user_bad_8:
  29. mov r3, #0
  30. __get_user_bad:
  31. mov r2, #0
  32. mov r0, #-EFAULT
  33. mov pc, lr
  34. .section __ex_table, "a"
  35. .long   1b, __get_user_bad
  36. .long   2b, __get_user_bad
  37. .long   3b, __get_user_bad
  38. .long   4b, __get_user_bad
  39. .long   5b, __get_user_bad_8
  40. .long   6b, __get_user_bad_8
  41. .previous

这
段代码都是单条汇编指令实现的内存操作，就不进行详细注解了。如果定义__ARMEB__宏，则是支持EABI的大端格式代码
(http://blog.csdn.net/ce123/article/details/8457491)，关于大端模式和小端模式的详细介绍，可以
参考http://blog.csdn.net/ce123/article/details/6971544。这段代码在.section
__ex_table, "a"之前都是常规的内存拷贝操纵，特殊的地方在于后面定义“__ex_table”section 。

标
号1,2，...，6处是内存访问指令，如果mov的源地址位于一个尚未被提交物理页面的空间中，将产生缺页异常，内核会调用do_page_fault
函数处理这个异常，因为异常发生在内核空间，do_page_fault将调用search_exception_tables在“ __ex_table”中查找异常指令的修复指令，在上面这段带面的最后，“__ex_table”section 中定义了如下数据：

  1. .section __ex_table, "a"
  2. .long   1b, __get_user_bad //其中1b对应标号1处的指令，__get_user_bad是1处指令的修复指令。
  3. .long   2b, __get_user_bad
  4. .long   3b, __get_user_bad
  5. .long   4b, __get_user_bad
  6. .long   5b, __get_user_bad_8
  7. .long   6b, __get_user_bad_8

当标号1处发生缺页异常时，系统将调用do_page_fault提交物理页面，然后跳到__get_user_bad继续执行。get_user函数如果成果执行则返回1，否则返回-EFAULT。

put_user用于将内核空间的一个简单类型变量x拷贝到p所指向的用户空间。该函数可以自动判断变量的类型，如果执行成功则返回0，否则返回-EFAULT。下面给出它们的定义(linux/include/asm-arm/uaccess.h)。

  1. extern int __put_user_1(void *, unsigned int);
  2. extern int __put_user_2(void *, unsigned int);
  3. extern int __put_user_4(void *, unsigned int);
  4. extern int __put_user_8(void *, unsigned long long);
  5. extern int __put_user_bad(void);
  6. #define __put_user_x(__r2,__p,__e,__s)                  \
  7. __asm__ __volatile__ (                   \
  8. __asmeq("%0", "r0") __asmeq("%2", "r2")         \
  9. "bl __put_user_" #__s               \
  10. : "=&r" (__e)                       \
  11. : "0" (__p), "r" (__r2)                 \
  12. : "ip", "lr", "cc")
  13. #define put_user(x,p)                           \
  14. ({                              \
  15. const register typeof(*(p)) __r2 asm("r2") = (x);   \
  16. const register typeof(*(p)) __user *__p asm("r0") = (p);\
  17. register int __e asm("r0");             \
  18. switch (sizeof(*(__p))) {               \
  19. case 1:                         \
  20. __put_user_x(__r2, __p, __e, 1);        \
  21. break;                      \
  22. case 2:                         \
  23. __put_user_x(__r2, __p, __e, 2);        \
  24. break;                      \
  25. case 4:                         \
  26. __put_user_x(__r2, __p, __e, 4);        \
  27. break;                      \
  28. case 8:                         \
  29. __put_user_x(__r2, __p, __e, 8);        \
  30. break;                      \
  31. default: __e = __put_user_bad(); break;         \
  32. }                           \
  33. __e;                            \
  34. })

__put_user_1等函数的的定义如下(linux/arch/arm/lib/putuser.S)。

  1. .global __put_user_1
  2. __put_user_1:
  3. 1:  strbt   r2, [r0]
  4. mov r0, #0
  5. mov pc, lr
  6. .global __put_user_2
  7. __put_user_2:
  8. mov ip, r2, lsr #8
  9. #ifndef __ARMEB__
  10. 2:  strbt   r2, [r0], #1
  11. 3:  strbt   ip, [r0]
  12. #else
  13. 2:  strbt   ip, [r0], #1
  14. 3:  strbt   r2, [r0]
  15. #endif
  16. mov r0, #0
  17. mov pc, lr
  18. .global __put_user_4
  19. __put_user_4:
  20. 4:  strt    r2, [r0]
  21. mov r0, #0
  22. mov pc, lr
  23. .global __put_user_8
  24. __put_user_8:
  25. 5:  strt    r2, [r0], #4
  26. 6:  strt    r3, [r0]
  27. mov r0, #0
  28. mov pc, lr
  29. __put_user_bad:
  30. mov r0, #-EFAULT
  31. mov pc, lr
  32. .section __ex_table, "a"
  33. .long   1b, __put_user_bad
  34. .long   2b, __put_user_bad
  35. .long   3b, __put_user_bad
  36. .long   4b, __put_user_bad
  37. .long   5b, __put_user_bad
  38. .long   6b, __put_user_bad
  39. .previous

put_user函数就不具体分析了。get_user和put_user仅能完成一些简单类型变量的拷贝任务，后面我们将分析copy_to_user和copy_from_user。

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