使用call_usermodehelper在Linux内核中直接运行用户空间程序

                                                                                                                     by沈东良/良少http://blog.csdn.net/shendl2011.07.19

系统初始化时kernel_init在内核态创建和运行应用程序以完成系统初始化

          内核刚刚启动时，只有内核态的代码，后来在init过程中，在内核态运行了一些初始化系统的程序，才产生了工作在用户空间的进程。

/* This is a non __init function. Force it to be noinline otherwise gcc
 736 * makes it inline to init() and it becomes part of init.text section
 737 */
 738static noinline int init_post(void)
 739{
 740        /* need to finish all async __init code before freeing the memory */
 741        async_synchronize_full();
 742        free_initmem();
 743        mark_rodata_ro();
 744        system_state = SYSTEM_RUNNING;
 745        numa_default_policy();
 746
 747
 748        current->signal->flags |= SIGNAL_UNKILLABLE;
 749
 750        if (ramdisk_execute_command) {
 751                run_init_process(ramdisk_execute_command);
 752                printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s\n",
 753                                ramdisk_execute_command);
 754        }
 755
 756        /*
 757         * We try each of these until one succeeds.
 758         *
 759         * The Bourne shell can be used instead of init if we are
 760         * trying to recover a really broken machine.
从内核里发起系统调用，执行用户空间的应用程序。这些程序自动以root权限运行。
 761         */
 762        if (execute_command) {
 763                run_init_process(execute_command);
 764                printk(KERN_WARNING "Failed to execute %s.  Attempting "
 765                                        "defaults...\n", execute_command);
 766        }
 767        run_init_process("/sbin/init");
 768        run_init_process("/etc/init");
 769        run_init_process("/bin/init");
 770        run_init_process("/bin/sh");
 771
 772        panic("No init found.  Try passing init= option to kernel. "
 773              "See Linux Documentation/init.txt for guidance.");
 774}

        这里，内核以此运行用户空间程序，从而产生了第一个以及后续的用户空间程序。
一般用户空间的init程序，会启动一个shell，供用户登录系统用。这样，这里启动的用户空间的程序永远不会返回。
也就是说，正常情况下不会到panic这一步。
系统执行到这里后，Linux Kernel的初始化就完成了。

此时，中断和中断驱动的进程调度机制，调度着各个线程在各个CPU上的运行。
中断处理程序不时被触发。
操作系统上，一些内核线程在内核态运行，它们永远不会进入用户态。它们也根本没有用户态的内存空间。它的线性地址空间就是共享内核的线性地址空间。
一些用户进程通常在用户态运行。有时因为系统调用而进入内核态，调用内核提供的系统调用处理函数。

         但有时，我们的内核模块或者内核线程希望能够调用用户空间的进程，就像系统启动之初init_post函数做的那样。

       如，一个驱动从内核得到了主从设备号，然后需要使用mknod命令创建相应的设备文件，以供用户调用该设备。

       如，一个内核线程想神不知鬼不觉地偷偷运行个有特权的后门程序。

等等之类的需求。

call_usermodehelper函数

          Linux  Kernel提供了call_usermodehelper函数，让我们能够异常方便地在内核中直接新建和运行用户空间程序，并且该程序具有root权限。

call_usermodehelper函数源码

include/linux/kmod.h头文件

 105static inline int
 106call_usermodehelper(char *path, char **argv, char **envp, enum umh_wait wait)
 107{
 108        return call_usermodehelper_fns(path, argv, envp, wait,
 109                                       NULL, NULL, NULL);
 110}
 111


  50enum umh_wait {
  51        UMH_NO_WAIT = -1,       /* don't wait at all */
  52        UMH_WAIT_EXEC = 0,      /* wait for the exec, but not the process */
  53        UMH_WAIT_PROC = 1,      /* wait for the process to complete */
  54};
  55
  56struct subprocess_info {
  57        struct work_struct work;
  58        struct completion *complete;
  59        char *path;
  60        char **argv;
  61        char **envp;
  62        enum umh_wait wait;
  63        int retval;
  64        int (*init)(struct subprocess_info *info);
  65        void (*cleanup)(struct subprocess_info *info);
  66        void *data;
  67};
  68

kernel/kmod.c实现文件

377/**
 378 * call_usermodehelper_exec - start a usermode application
 379 * @sub_info: information about the subprocessa  子进程的信息
 380 * @wait: wait for the application to finish and return status.等待用户空间子进程的完成，并返回结果。
 381 *        when -1 don't wait at all, but you get no useful error back when
 382 *        the program couldn't be exec'ed. This makes it safe to call
 383 *        from interrupt context.
-1表示根本不等待子进程的结束。 但这样你就无法对程序出错进行处理。
如果使用中断上下文，那么应该使用-1。
 384 *
 385 * Runs a user-space application.  The application is started
 386 * asynchronously if wait is not set, and runs as a child of keventd.
 387 * (ie. it runs with full root capabilities).
call_usermodehelper_exec函数，启动一个用户模式应用程序。
如果不设置wait，那么用户空间应用程序会被异步启动。  它在root权限下运行。是keventd进程的子进程。


 388 */
 389int call_usermodehelper_exec(struct subprocess_info *sub_info,
 390                             enum umh_wait wait)
 391{
 392        DECLARE_COMPLETION_ONSTACK(done);
 393        int retval = 0;
 394
 395        helper_lock();
 396        if (sub_info->path[0] == '\0')
 397                goto out;
 398
 399        if (!khelper_wq || usermodehelper_disabled) {
 400                retval = -EBUSY;
 401                goto out;
 402        }
 403
 404        sub_info->complete = &done;
 405        sub_info->wait = wait;
 406把用户空间进程挂到一个内核工作队列。
 407        queue_work(khelper_wq, &sub_info->work);
 408        if (wait == UMH_NO_WAIT)        /* task has freed sub_info */
 409                goto unlock;
如果等待子进程完成，那么执行等待完成的  事件通知和唤醒。就是说当前进程sleep。
 410        wait_for_completion(&done);
 411        retval = sub_info->retval;
 412
 413out:
 414        call_usermodehelper_freeinfo(sub_info);
 415unlock:
 416        helper_unlock();
 417        return retval;
 418}
 419EXPORT_SYMBOL(call_usermodehelper_exec);
 420
 421void __init usermodehelper_init(void)
 422{
 423        khelper_wq = create_singlethread_workqueue("khelper");
 424        BUG_ON(!khelper_wq);
 425}

     call_usermodeheler函数创建的新程序，实际上作为keventd内核线程的子进程运行，因此具有root权限。

      新程序被扔到内核工作队列“khelper”中进行执行。

      如果使用UMH_NO_WAIT，那么因为没有在事件队列上等待和唤醒的过程，因此可以在中断上下文中使用。

     它的返回值是新程序的返回值。

call_usermodeheler函数的参数用法和execve函数一致

#include<unistd.h>

intexecve(const char *filename, char *const argv[],
char*const envp[]);

execve函数使用sys_execve系统调用，创建并运行一个程序。

argv是字符串数组，是将被传输到新程序的参数。

envp是字符串数组，格式是key=value，是传递给新程序的环境变量。

argv和envp都必须以NULL字符串结束。以此来实现对字符串数组的大小统计。

     这就意味着，argv的第一个参数也必须是程序名。也就是说，新程序名要在execve函数的参数中传递两次。

     这和main函数传入的参数格式也是一致的。

使用call_usermodehelper在内核态创建和运行用户空间程序的示例

/*

============================================================================

Name : testDriver1.c

Author :Edward Shen[email protected]

Version :

Copyright : Your copyrightnotice

Description : Hello World in C,Ansi-style

============================================================================

*/

#include

#include

#include

//#include

#include/*printk()*/

#include

MODULE_LICENSE("DualBSD/GPL");

static__initinttestDriver1_init(void){

     intresult=0;

     char cmdPath[]="/usr/bin/touch";

     char* cmdArgv[]={cmdPath,"/touchX.txt",NULL};

     char* cmdEnvp[]={"HOME=/",

"PATH=/sbin:/bin:/usr/bin",NULL};

      result=call_usermodehelper(cmdPath,cmdArgv,cmdEnvp,UMH_WAIT_PROC);

      printk(KERN_DEBUG"testDriver1_initexec!Theresult of call_usermodehelper is %d\n",result);

      printk(KERN_DEBUG"testDriver1_initexec!Theprocess is \"%s\",pidis %d ,sys_getpid is %d \n",current->comm,current->pid);

      returnresult;

}

static__exitvoidtestDriver1_exit(void){

      intresult=0;

      char cmdPath[]="/bin/rm";

      char* cmdArgv[]={cmdPath,"/touchX.txt",NULL};

      char* cmdEnvp[]={"HOME=/",

"PATH=/sbin:/bin:/usr/bin",NULL};

      result=call_usermodehelper(cmdPath,cmdArgv,cmdEnvp,UMH_WAIT_PROC);

      printk(KERN_DEBUG"testDriver1_exitexec!Theresult of call_usermodehelper is %d\n",result);

      printk(KERN_DEBUG"testDriver1_exitexec!Theprocess is \"%s\",pidis %d \n",current->comm,current->pid);

}

module_init(testDriver1_init);

module_exit(testDriver1_exit);

编译上述模块的命令：

make-C /lib/modules/`uname -r`/build M=`pwd` modules

然后使用insmod和rmmod命令加载和卸载驱动。可以看到上述命令创建了文件和删除了创建的文件。