Linux内核(1)——copy_to_user和copy_from_user两个函数的分析[转]

今天在做Linux设备驱动的实验，对copy_to_user和copy_from_user两个函数的功能很不了解，在网上搜到一篇文章贴出来供参考：

http://apps.hi.baidu.com/share/detail/16028954

 

 

 

整理一下原文：

       copy_to_user和copy_from_user就是在进行驱动相关程序设计的时候，要经常遇到的两个函数。由于内核空间与用户空间的内存不能直接互访，因此借助函数copy_to_user()完成用户空间到内核空间的复制，函数copy_from_user()完成内核空间到用户空间的复制。下面我们来仔细的理一下这两个函数的来龙去脉。

首先，我们来看一下这两个函数的在源码文件中是如何定义的：

~/arch/i386/lib/usercopy.c

unsigned long

copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

{

       might_sleep();

       BUG_ON((long) n < 0);

       if (access_ok(VERIFY_WRITE, to, n))

              n = __copy_to_user(to, from, n);

       return n;

}

EXPORT_SYMBOL(copy_to_user);

 

这个函数的主要作用就是从内核空间拷贝一块儿数据到用户空间，由于这个函数有可能睡眠，所以只能用于用户空间。

 

①三个参数:

       to 目标地址，这个地址是用户空间的地址；

       from 源地址，这个地址是内核空间的地址；

       n 将要拷贝的数据的字节数。

如果数据拷贝成功，则返回零；否则，返回没有拷贝成功的数据字节数。

参数to的时候有个__user限定，这个在~/include/linux/compiler.h中有如下定义：

# define __user     __attribute__((noderef, address_space(1)))

表示这是一个用户空间的地址，即其指向的为用户空间的内存

大家可能对这个__attribute__感到比较迷惑，不过没关系，google一下嘛

__attribute__是gnu c编译器的一个功能，它用来让开发者使用此功能给所声明的函数或者变量附加一个属性，以方便编译器进行错误检查，其实就是一个内核检查器。

具体可以参考如下：

http://unixwiz.net/techtips/gnu-c-attributes.html

 

以上是对函数的一些说明，接下来让我们看看这个函数的内部面目：

②might_sleep()：

它有两个实现版本，debug版本和非debug版本：

在debug版本中，在有可能引起sleep的函数中会给出相应的提示，如果是在原子的上下文中执行，则会打印出栈跟踪的信息，这是通过__might_sleep(__FILE__, __LINE__);函数来实现的，并且接着调用might_resched()函数进行重新调度。

在非debug版本中直接调用might_resched()函数进行重新调度。

其实现方式为，在~/ include/linux/kernel.h中：

#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK_SLEEP

void __might_sleep(char *file, int line);

# define might_sleep() /

do { __might_sleep(__FILE__, __LINE__); might_resched(); } while (0)

#else

# define might_sleep() do { might_resched(); } while (0)

#endif

 

③检查参数合法性的宏：BUG_ON((long) n < 0);

其实现为如下(在~/include/asm-generic/bug.h):

它通过检查条件，根据结果来决定是否打印相应的提示信息；

#ifdef CONFIG_BUG

#ifndef HAVE_ARCH_BUG

#define BUG() do { /

    printk("BUG: failure at %s:%d/%s()!/n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__); /

    panic("BUG!"); /

} while (0)

#endif

#ifndef HAVE_ARCH_BUG_ON

#define BUG_ON(condition) do { if (unlikely((condition)!=0)) BUG(); } while(0)

#endif

   

     ④access_ok(VERIFY_WRITE, to, n)

它是用来检查参数中一个指向用户空间数据块的指针是否有效，如果有效返回非零，否则返回零。其实现如下(在/include/asm-i386/uaccess.h中)：

#define access_ok(type,addr,size) (likely(__range_ok(addr,size) == 0))

其中__range_ok(addr,size)的实现是通过内嵌汇编来实现的，内容如下(在/include/asm-i386/uaccess.h中)：

#define __range_ok(addr,size) ({ /

    unsigned long flag,sum; /

    __chk_user_ptr(addr); /

    asm("addl %3,%1 ; sbbl %0,%0; cmpl %1,%4; sbbl $0,%0" /

        :"=&r" (flag), "=r" (sum) /

        :"1" (addr),"g" ((int)(size)),"g" (current_thread_info()->addr_limit.seg)); /

flag; })

其实现的功能为：

(u33)addr + (u33)size >= (u33)current->addr_limit.seg

    判断上式是否成立，若不成立则表示地址有效，返回零；否则返回非零

 

⑤接下来才是最重要的函数，它实现了拷贝的工作： __copy_to_user(to, from, n)

其实现方式如下(在/include/asm-i386/uaccess.h中)：

static __always_inline unsigned long __must_check

__copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

{

       might_sleep();

       return __copy_to_user_inatomic(to, from, n);

}

有一个__always_inline宏，其内容就是inline，一个__must_check，其内容是在gcc3和gcc4版本里为__attribute__((warn_unused_result))

其中might_sleep同上面__user时候的注释。

最终调用的是__copy_to_user_inatomic(to, from, n)来完成拷贝工作的，此函数的实现如下(在/include/asm-i386/uaccess.h中)：

static __always_inline unsigned long __must_check

__copy_to_user_inatomic(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

{

    if (__builtin_constant_p(n)) {

        unsigned long ret;

 

        switch (n) {

        case 1:

            __put_user_size(*(u8 *)from, (u8 __user *)to, 1, ret, 1);

            return ret;

        case 2:

            __put_user_size(*(u16 *)from, (u16 __user *)to, 2, ret, 2);

            return ret;

        case 4:

            __put_user_size(*(u32 *)from, (u32 __user *)to, 4, ret, 4);

            return ret;

        }

    }

    return __copy_to_user_ll(to, from, n);

}

其中__builtin_constant_p(n)为gcc的内建函数，__builtin_constant_p用于判断一个值是否为编译时常熟，如果参数n的值为常数，函数返回1，否则返回0。很多计算或操作在参数为常数时有更优化的实现，在 GNU C 中用上面的方法可以根据参数是否为常数，只编译常数版本或非常数版本，这样既不失通用性，又能在参数是常数时编译出最优化的代码。

如果n为常数1、2或者4，就会选择某个swith来执行拷贝动作，拷贝是通过如下函数来实现的(在/include/asm-i386/uaccess.h中)：

#ifdef CONFIG_X86_WP_WORKS_OK

#define __put_user_size(x,ptr,size,retval,errret)           /

do {                                    /

    retval = 0;                         /

    __chk_user_ptr(ptr);                        /

    switch (size) {                         /

    case 1: __put_user_asm(x,ptr,retval,"b","b","iq",errret);break; /

    case 2: __put_user_asm(x,ptr,retval,"w","w","ir",errret);break; /

    case 4: __put_user_asm(x,ptr,retval,"l","","ir",errret); break; /

    case 8: __put_user_u64((__typeof__(*ptr))(x),ptr,retval); break;/

    default: __put_user_bad();                /

    }                               /

} while (0)

#else

#define __put_user_size(x,ptr,size,retval,errret)           /

do {                                    /

    __typeof__(*(ptr)) __pus_tmp = x;               /

    retval = 0;                         /

                                    /

    if(unlikely(__copy_to_user_ll(ptr, &__pus_tmp, size) != 0)) /

        retval = errret;                    /

} while (0)

#endif

其中__put_user_asm为一个宏，拷贝工作是通过如下的内联汇编来实现的(在/include/asm-i386/uaccess.h中)：

#define __put_user_asm(x, addr, err, itype, rtype, ltype, errret)   /

    __asm__ __volatile__(                       /

        "1: mov"itype" %"rtype"1,%2/n"          /

        "2:/n"                          /

        ".section .fixup,/"ax/"/n"              /

        "3: movl %3,%0/n"                   /

        "   jmp 2b/n"                   /

        ".previous/n"                       /

        ".section __ex_table,/"a/"/n"               /

        "   .align 4/n"                 /

        "   .long 1b,3b/n"                  /

        ".previous"                     /

        : "=r"(err)                     /

    : ltype (x), "m"(__m(addr)), "i"(errret), "0"(err))