Linux内核访问用户空间文件：get_fs()/set_fs()的使用

测试环境：Ubuntu 14.04+Kernel 4.4.0-31

关键词：KERNEL_DS、USER_DS、get_fs()、set_fs()、addr_limit、access_ok。

参考代码：https://elixir.bootlin.com/linux/v4.4/source

内核空间和用户空间交换数据的方式有很多，比如用户空间发起的系统调用、proc、虚拟文件系统等。

内核空间主动发起的有get_user/put_user、信号、netlink等。

这里介绍get_user/put_user的使用以及背后的原理。

1. 构造测试环境：Ubuntu下创建module

要让内核空间主动发起，需要创建一个module，然后插入到内核中。

从内核中发起创建kernel_file，并写入内容。

最后从用户空间进行验证。

1.1 测试源码

首先，编写module源码：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

static char buf[] ="来自内核的访问\n";
static char buf1[];

int __init test_init(void)
{
    struct file *fp;
    mm_segment_t fs;
    loff_t pos;
    printk("test enter\n");
    fp =filp_open("/home/jenkins/lubaoquan/test/kernel_file",O_RDWR | O_CREAT,);
    if (IS_ERR(fp)){
        printk("create file error\n");
        return -;
    }
    fs =get_fs();
    set_fs(KERNEL_DS);
    pos =;
    vfs_write(fp,buf, sizeof(buf), &pos);
    pos =;
    vfs_read(fp,buf1, sizeof(buf), &pos);
    printk("Write contet=%s\n",buf1);
    filp_close(fp,NULL);
    set_fs(fs);
    return ;
}
void __exit test_exit(void)
{
    printk("test exit\n");
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

编写Makefile文件：

obj-m :=read_userspace.o                        #要生成的模块名
read_userspace-objs:= read_userspace_file.o     #生成这个模块名所需要的目标文件

KDIR := /lib/modules/`uname -r`/build
PWD := $(shell pwd)

default:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
    rm -rf *.o *.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions Module.symvers modules.order

1.2 编译

执行make命令，就可以得到read_userspace.ko文件。

1.3 测试

sudo insmod read_userspace.ko-----------------插入模组

sudo lsmod | grep read_userspace--------------验证是否插入成功

sudo rmmod read_userspace----------------------移除模组

测试结果如下，可以看出kernel_file是由root用户创建的。

可以看出内容符合预期。

3. 代码分析

    fp =filp_open("/home/jenkins/lubaoquan/test/kernel_file",O_RDWR | O_CREAT,);---------------------创建用户空间文件，获取文件句柄。
    if (IS_ERR(fp)){
        printk("create file error\n");
        return -;
    }
    fs =get_fs();----------------------------------------------------------------------------------------获取当前线程的thread_info->addr_limit。
    set_fs(KERNEL_DS);-----------------------------------------------------------------------------------将能访问的空间thread_info->addr_limit扩大到KERNEL_DS。
    pos =;
    vfs_write(fp,buf, sizeof(buf), &pos);----------------------------------------------------------------调用vfs_write写内容
    pos =;
    vfs_read(fp,buf1, sizeof(buf), &pos);----------------------------------------------------------------调用vfs_read读取内容
    printk("Write contet=%s\n",buf1);
    filp_close(fp,NULL);---------------------------------------------------------------------------------关闭文件
    set_fs(fs);------------------------------------------------------------------------------------------将thread_info->addr_limit切换回原来值

4. 原理

4.1 set_fs和get_fs

有下面代码可知KERNEL_DS范围很大，到0xffffffffffffffff。

而USER_DS范围较小，到0x7ffffffff000。

由Linux内存分布图可知，KERNEL_DS意味着可以访问整个内存所有空间，USER_DS只能访问用户空间内存。

通过set_fs可以改变thread_info->addr_limit的大小。

/*
 * For historical reasons, the following macros are grossly misnamed:
 */
#define KERNEL_DS    ((mm_segment_t) { ~0UL })        /* cf. access_ok() */
#define USER_DS        ((mm_segment_t) { TASK_SIZE-1 })    /* cf. access_ok() */

#define VERIFY_READ    0
#define VERIFY_WRITE    1

#define get_ds()  (KERNEL_DS)
#define get_fs()  (current_thread_info()->addr_limit)
#define set_fs(x) (current_thread_info()->addr_limit = (x))

#define TASK_SIZE           DEFAULT_TASK_SIZE 

4.2 vfs_write和vfs_read对addr_limit的检查

将代码修改一下，不进行addr_limit扩大，看看结果如何。

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>

static char buf[] ="来自内核的访问\n";
static char buf1[];

int __init test_init(void)
{
    struct file *fp;
    mm_segment_t fs;
    loff_t pos;
    int ret;

    printk("KERNEL_DS=0x%llx USER_DS=0x%llx get_fs()=0x%llx\n", KERNEL_DS, USER_DS, get_fs());
    fp =filp_open("/home/jenkins/lubaoquan/test/kernel_file",O_RDWR | O_CREAT,);
    if (IS_ERR(fp)){
        printk("create file error\n");
        return -;
    }
    fs =get_fs();
    //set_fs(KERNEL_DS);
    pos =;
    printk("fp=%p, buf=%p get_fs()=0x%llx\n", fp, buf, get_fs());
    ret = vfs_write(fp,buf, sizeof(buf), &pos);
    printk("ret=%d\n", ret);
    pos =;
    printk("fp=%p, buf1=%p\n", fp, buf1);
    ret = vfs_read(fp,buf1, sizeof(buf), &pos);
    printk("ret=%d Write contet=%s\n", ret, buf1);
    filp_close(fp,NULL);
    //set_fs(fs);
    return ;
}
void __exit test_exit(void)
{
    printk("test exit\n");
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

执行结果如下，可以看出fp、buf、buf1都位于内核空间。而当前空间的get_fs()为0x7ffffffff000，这些地址都超出当前空间。

所以vfs_read和vfs_write返回值都是-14，即“Bad address”。

[49001.240705] KERNEL_DS=0xffffffffffffffff USER_DS=0x7ffffffff000 get_fs()=0x7ffffffff000
[49001.240713] fp=ffff8800cae06900, buf=ffffffffc0305000 get_fs()=0x7ffffffff000
[49001.240714] ret=-14
[49001.240715] fp=ffff8800cae06900, buf1=ffffffffc03053c0
[49001.240716] ret=-14 Write contet=
[49013.464812] test exit

简单看一下vfs_write和vfs_read，两者都调用access_ok对地址合法性进行检查，严禁addr大于当前get_fs()。

此处buf和buf1都不满足条件，所以返回-EFAULT。

#define __access_ok(addr, size, segment)                        \
({                                            \
    __chk_user_ptr(addr);                                \
    (likely((unsigned long) (addr) <= (segment).seg)                \
     && ((segment).seg == KERNEL_DS.seg                        \
         || likely(REGION_OFFSET((unsigned long) (addr)) < RGN_MAP_LIMIT)));    \
})
#define access_ok(type, addr, size)    __access_ok((addr), (size), get_fs())

ssize_t vfs_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
...
    if (unlikely(!access_ok(VERIFY_READ, buf, count)))
        return -EFAULT;
...
}

ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
...
    if (unlikely(!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, count)))
        return -EFAULT;
...
}

将测试代码红色部分打开，扩大addr_limit空间。

可以看出当前thread_info->addr_limit变成了0xffffffffffffffff。

所以vfs_write和vfs_read的access_ok检查得以通过，程序得到正确执行。

[48937.547119] KERNEL_DS=0xffffffffffffffff USER_DS=0x7ffffffff000 get_fs()=0x7ffffffff000
[48937.547138] fp=ffff8800c8300c00, buf=ffffffffc02f3000 get_fs()=0xffffffffffffffff
[48937.547155] ret=
[48937.547158] fp=ffff8800c8300c00, buf1=ffffffffc02f33c0
[48937.547164] ret=23 Write contet=\xffffffe6\xffffff9d\xffffffa5\xffffff9d\xffffffa5\xffffffe8\xffffff87\xffffffaa\xffffff87\xffffffaa\xffffffe5\xffffff86\xffffff85\xffffff86\xffffff85\xffffffe6\xffffffa0\xffffffb8\xffffffa0\xffffffb8\xffffffe7\xffffff9a\xffffff84\xffffff9a\xffffff84\xffffffe8\xffffffae\xffffffbf\xffffffae\xffffffbf\xffffffe9\xffffff97\xffffffae\xffffff97\xffffffae
[48937.547164]
[48940.600703] test exit

5. 小结

只有使用上面的方法，才能在内核中使用open,write等的系统调用。

其实这样做的主要原因是open,write的参数在用户空间，在这些系统调用的实现里需要对参数进行检查，就是检查它的参数指针地址是不是用户空间的。

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、buf1），它默认会认为来自用户空间。

在vfs_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。

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！

内核使用系统调用参数肯定是内核空间，为了不让这些系统调用检查参数所以必须设置  set_fs(KERNEL_DS)才能使用该系统调用。

vfs_write的流程可调用access_ok，而access_ok会判断访问的buf是否在0~addr_limit之间，如何是就ok；否则-EFAULT，这显然是为用户准备的检查。

addr_limit一般设为USER_DS，在内核空间，buf肯定>USER_DS，必须修改addr_limit，这就是set_fs的由来。