作者:刘昊昱
博客:http://blog.csdn.net/liuhaoyutz
编译环境:Ubuntu 10.10
内核版本:2.6.32-38-generic-pae
LDD3源码路径:examples/scull/ access.c examples/scull/main.c
一、访问控制设备的注册
本文分析LDD3第6章介绍的设备文件访问控制的实现,涉及的代码主要在access.c文件中,但是作为分析的起点,我们还是要看一下main.c文件中的scull_init_module函数,在该函数中,有如下语句:
657 dev = MKDEV(scull_major, scull_minor + scull_nr_devs); 658 dev += scull_p_init(dev); 659 dev += scull_access_init(dev);
657行,scull_major和scull_minor的默认值都是0,scull_nr_devs的默认值是4。dev变量在618行定义,它是dev_t类型,注意dev_t类型用来保存设备编号,包括主设备号和次设备号。所以,657行,我们通过MKDEV宏得到一个主设备号为0,次设备号为4的设备编号保存在dev中。这里之所以让次设备号为4,是因为前面已经注册了scull0 - scull3,它们的主设备号均为系统动态分配值,次设备号分别是0,1,2,3。
658行,调用了pipe.c文件中的scull_p_init函数,我们在前面的《LDD3源码分析之阻塞型I/O》一文中对这个函数进行了分析,它创建了scullpipe0 - scullpipe3四个设备,对应的主设备号是系统动态分配值,次设备号为4,5,6,7。而scull_p_init函数的返回值是4,所以658行把dev的值再加4,然后传递给659行的scull_access_init函数。
659行,调用scull_access_init函数,这个函数就是我们今天要分析的起点,在access.c文件中定义,下面看这个函数的代码:
366int scull_access_init(dev_t firstdev) 367{ 368 int result, i; 369 370 /* Get our number space */ 371 result = register_chrdev_region (firstdev, SCULL_N_ADEVS, "sculla"); 372 if (result < 0) { 373 printk(KERN_WARNING "sculla: device number registration failed\n"); 374 return 0; 375 } 376 scull_a_firstdev = firstdev; 377 378 /* Set up each device. */ 379 for (i = 0; i < SCULL_N_ADEVS; i++) 380 scull_access_setup (firstdev + i, scull_access_devs + i); 381 return SCULL_N_ADEVS; 382}
371行注册访问控制相关设备的设备号,起始设备号是由参数传递进来的,注册的设备编号的个数是SCULL_N_ADEVS,它的值是4。
376行,保存第一个设备的设备编号。
379 - 380行,调用scull_access_setup函数,循环初始化4个访问控制相关设备。注意传递给scull_access_setup函数的第二个参数是scull_access_devs + i,先看一下scull_access_devs的定义:
327static struct scull_adev_info { 328 char *name; 329 struct scull_dev *sculldev; 330 struct file_operations *fops; 331} scull_access_devs[] = { 332 { "scullsingle", &scull_s_device, &scull_sngl_fops }, 333 { "sculluid", &scull_u_device, &scull_user_fops }, 334 { "scullwuid", &scull_w_device, &scull_wusr_fops }, 335 { "sullpriv", &scull_c_device, &scull_priv_fops } 336};
可见,scull_access_devs是一个scull_adev_info结构体数组,该结构体代表一个访问控制设备,scull_adev_info有3个成员,第一个代表设备名,第二个是第3章中介绍的scull设备,第三个是对于这个访问控制设备的操作函数集。
scull_access_devs数组定义了4个访问控制设备,这4个设备使用不同的访问控制策略。第一个设备叫scullsingle,对应的”bare scull device”是scull_s_device,定义在49行,对应的操作函数集是scull_sngl_fops,定义在78行:
49static struct scull_dev scull_s_device;
78struct file_operations scull_sngl_fops = { 79 .owner = THIS_MODULE, 80 .llseek = scull_llseek, 81 .read = scull_read, 82 .write = scull_write, 83 .ioctl = scull_ioctl, 84 .open = scull_s_open, 85 .release = scull_s_release, 86};
其它三个设备分别是sculluid、scullwuid、sullpriv,它们对应的”bare scull device”和操作函数集也都是在access.c中定义,这里不一一列出了,后面分析相应设备时再详细介绍。由上面的内容可以看出,访问控制设备的实现是建立在”bare scull device”的基础上的,很多代码都是与”bare scull device”复用的。
下面看scull_access_setup函数的定义:
339/* 340 * Set up a single device. 341 */ 342static void scull_access_setup (dev_t devno, struct scull_adev_info *devinfo) 343{ 344 struct scull_dev *dev = devinfo->sculldev; 345 int err; 346 347 /* Initialize the device structure */ 348 dev->quantum = scull_quantum; 349 dev->qset = scull_qset; 350 init_MUTEX(&dev->sem); 351 352 /* Do the cdev stuff. */ 353 cdev_init(&dev->cdev, devinfo->fops); 354 kobject_set_name(&dev->cdev.kobj, devinfo->name); 355 dev->cdev.owner = THIS_MODULE; 356 err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1); 357 /* Fail gracefully if need be */ 358 if (err) { 359 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding %s\n", err, devinfo->name); 360 kobject_put(&dev->cdev.kobj); 361 } else 362 printk(KERN_NOTICE "%s registered at %x\n", devinfo->name, devno); 363}
348 - 353行,和第三章中初始化scull设备一样,分别初始化了量子数,量子集数,信号量和cdev成员。353行还将字符设备关联了相应的文件操作函数集。
354行,注册了sys系统中的名字。
356行,将字符设备注册到系统中,完成注册。
这样,就完成了对字符设备的初始化和注册,现在我们有了4个采用不同访问控制策略的设备,分别是scullsingle、sculluid、scullwuid和scullpriv。
为了对这个4设备的访问控制策略进行测试,我编写了一个简单的测试程序access_control.c,其代码如下:
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #define BUF_SIZE 50 int main(int argc, char *argv[]) { int fd; int num, n; char buf[BUF_SIZE]; fd = open(argv[1], O_RDWR); if(fd < 0) { printf("open scull error!\n"); return -1; } n = 0; while(n < 10) { lseek(fd, 0, SEEK_SET); memset(buf, 0, BUF_SIZE); num = read(fd, buf, BUF_SIZE); if( num > 0) { buf[num] = 0; printf("%s\n", buf); } sleep(2); n++; } return 0; }
后面将使用这个测试程序对不同的设备进行测试。
二、独享设备
这种访问控制一次只允许一个进程访问设备,最好避免使用这种技术,因为它限制了用户的灵活性。scullsingle设备实现了独享设备的策略,其主要代码如下:
49static struct scull_dev scull_s_device; 50static atomic_t scull_s_available = ATOMIC_INIT(1); 51 52static int scull_s_open(struct inode *inode, struct file *filp) 53{ 54 struct scull_dev *dev = &scull_s_device; /* device information */ 55 56 if (! atomic_dec_and_test (&scull_s_available)) { 57 atomic_inc(&scull_s_available); 58 return -EBUSY; /* already open */ 59 } 60 61 /* then, everything else is copied from the bare scull device */ 62 if ( (filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY) 63 scull_trim(dev); 64 filp->private_data = dev; 65 return 0; /* success */ 66} 67 68static int scull_s_release(struct inode *inode, struct file *filp) 69{ 70 atomic_inc(&scull_s_available); /* release the device */ 71 return 0; 72} 73 74 75/* 76 * The other operations for the single-open device come from the bare device 77 */ 78struct file_operations scull_sngl_fops = { 79 .owner = THIS_MODULE, 80 .llseek = scull_llseek, 81 .read = scull_read, 82 .write = scull_write, 83 .ioctl = scull_ioctl, 84 .open = scull_s_open, 85 .release = scull_s_release, 86};
49行定义了scullsingle设备对应的”bare scull device” scull_s_device。
50行定义了一个原子变量(atomic_t)scull_s_available,其初始值为1,表明设备可用。如果其值为0,表明设备不可用。
56 - 59行,对原子变量scull_s_available执行atomic_dec_and_test操作,该函数将原子变量减1并测试其值是否为0,如果为0,返回TRUE,说明没有进程在使用设备,可以独享使用了。如果测试返回FALSE,说明有进程正在使用设备,将原子变量加1后,返回-EBUSY退出。
68 - 72行,定义了scull_s_release函数,该函数在进程关闭设备文件时调用,其作用是将原子变量scull_s_available的值加1,表示释放设备。
78 - 86行,定义了scullsingle设备的操作函数集,可以看到,除了open和release函数外,其他函数都是复用的scull设备的操作函数。
这样,通过加入一个原子变量,并在open函数中对其值进行判断,就能达到独享设备的目的了。
注意:通常应该把scull_s_available变量放在设备结构中(这里是scull_dev结构),因为从概念上讲它本身属于设备。但是scullsingle设备的实现是把scull_s_available定义为一个全局变量,这样做是为了与scull复用代码。
使用测试程序access_control.c测试scullsingle设备的过程如下图所示:
因为access_control进程会占用scullsingle设备20秒,从上图可以看出,在access_control执行的这20秒内,另外一个进程即echo试图操作(这里是写)scullsingle设备会返回设备正忙的错误信息,这说明,scullsingle设备同时只能被一个进程访问。如下图所示,当access_control退出后,echo进程就可以操作scullsingle设备了:
三、限制每次只由一个用户访问
这种访问策略允许一个用户的多个进程同时访问设备,但是不允许多个用户同时访问设备。与独享设备的策略相比,这种方法更加灵活。此时需要增加两个数据项,一个打开计数器和一个设备属主UID。同样,这两个数据项最好保存在设备结构体内部,但是为了与scull复用代码,在实现时我们把这两个变量定义为全局变量。
使用这种策略实现的设备叫sculluid,其主要代码如下:
95static struct scull_dev scull_u_device; 96static int scull_u_count; /* initialized to 0 by default */ 97static uid_t scull_u_owner; /* initialized to 0 by default */ 98static spinlock_t scull_u_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; 99 100static int scull_u_open(struct inode *inode, struct file *filp) 101{ 102 struct scull_dev *dev = &scull_u_device; /* device information */ 103 104 spin_lock(&scull_u_lock); 105 if (scull_u_count && 106 (scull_u_owner != current->uid) && /* allow user */ 107 (scull_u_owner != current->euid) && /* allow whoever did su */ 108 !capable(CAP_DAC_OVERRIDE)) { /* still allow root */ 109 spin_unlock(&scull_u_lock); 110 return -EBUSY; /* -EPERM would confuse the user */ 111 } 112 113 if (scull_u_count == 0) 114 scull_u_owner = current->uid; /* grab it */ 115 116 scull_u_count++; 117 spin_unlock(&scull_u_lock); 118 119/* then, everything else is copied from the bare scull device */ 120 121 if ((filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY) 122 scull_trim(dev); 123 filp->private_data = dev; 124 return 0; /* success */ 125} 126 127static int scull_u_release(struct inode *inode, struct file *filp) 128{ 129 spin_lock(&scull_u_lock); 130 scull_u_count--; /* nothing else */ 131 spin_unlock(&scull_u_lock); 132 return 0; 133} 134 135 136 137/* 138 * The other operations for the device come from the bare device 139 */ 140struct file_operations scull_user_fops = { 141 .owner = THIS_MODULE, 142 .llseek = scull_llseek, 143 .read = scull_read, 144 .write = scull_write, 145 .ioctl = scull_ioctl, 146 .open = scull_u_open, 147 .release = scull_u_release, 148};
95行定义了设备结构体scull_u_device。
96行定义了访问计数器变量scull_u_count,该变量用来保存正在访问设备的进程数。
97行定义了uid_t变量scull_u_owner,用来保存正在访问设备的用户UID。
105 - 111行,如果不是当前进程不是第一个访问设备的进程,并且当前进程的uid或euid不等于scull_u_owner变量的值,并且不是root权限用户,则返回-EBUSY退出。表明有另外一个用户正在访问设备。
113 - 114行,如果是第一个访问设备的进程,则将进程的UID保存在scull_u_owner。
116行,将访问计数器值加1。
127 - 133行,scull_u_release函数在关闭设备文件时调用,其作用是将访问计数器值减1。
140 - 148行,定义了sculluid的设备操作函数集,可以看到,除了open和release函数,其它函数都是与scull复用的。
使用accell_control测试sculluid设备的过程如下图所示:
由上图操作过程可以看出,同一用户在两个终端下可以同时对sculluid设备进行操作。不同用户对sculluid同时进行操作是否可以呢?如下图所示:
由上图可以看出,不同用户,不能同时对sculluid进行操作。
另外,一个用普通用户,一个用root用户,能不能同时操作sculluid呢?大家可以自己试验一下。
四、阻塞型open
上面两种访问控制方法当设备不能访问时,都是返回-EBUSY退出,但是有些情况下,可能需要让进程阻塞等待,这时就需要实现阻塞型open。
scullwuid设备实现了阻塞型open,其主要代码如下:
156static struct scull_dev scull_w_device; 157static int scull_w_count; /* initialized to 0 by default */ 158static uid_t scull_w_owner; /* initialized to 0 by default */ 159static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(scull_w_wait); 160static spinlock_t scull_w_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; 161 162static inline int scull_w_available(void) 163{ 164 return scull_w_count == 0 || 165 scull_w_owner == current->uid || 166 scull_w_owner == current->euid || 167 capable(CAP_DAC_OVERRIDE); 168} 169 170 171static int scull_w_open(struct inode *inode, struct file *filp) 172{ 173 struct scull_dev *dev = &scull_w_device; /* device information */ 174 175 spin_lock(&scull_w_lock); 176 while (! scull_w_available()) { 177 spin_unlock(&scull_w_lock); 178 if (filp->f_flags & O_NONBLOCK) return -EAGAIN; 179 if (wait_event_interruptible (scull_w_wait, scull_w_available())) 180 return -ERESTARTSYS; /* tell the fs layer to handle it */ 181 spin_lock(&scull_w_lock); 182 } 183 if (scull_w_count == 0) 184 scull_w_owner = current->uid; /* grab it */ 185 scull_w_count++; 186 spin_unlock(&scull_w_lock); 187 188 /* then, everything else is copied from the bare scull device */ 189 if ((filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY) 190 scull_trim(dev); 191 filp->private_data = dev; 192 return 0; /* success */ 193} 194 195static int scull_w_release(struct inode *inode, struct file *filp) 196{ 197 int temp; 198 199 spin_lock(&scull_w_lock); 200 scull_w_count--; 201 temp = scull_w_count; 202 spin_unlock(&scull_w_lock); 203 204 if (temp == 0) 205 wake_up_interruptible_sync(&scull_w_wait); /* awake other uid's */ 206 return 0; 207} 208 209 210/* 211 * The other operations for the device come from the bare device 212 */ 213struct file_operations scull_wusr_fops = { 214 .owner = THIS_MODULE, 215 .llseek = scull_llseek, 216 .read = scull_read, 217 .write = scull_write, 218 .ioctl = scull_ioctl, 219 .open = scull_w_open, 220 .release = scull_w_release, 221};
159行定义了一个等待队列scull_w_wait。
176 - 182行,判断能否访问设备的方法与sculluid相同,但是,如果不能访问设备,阻塞在scull_w_wait上等待而不是返回-EBUSY退出。
195 - 207行,scull_w_release函数在关闭设备文件时调用,它将使用计数器值减1,如果使用计数为0,则唤醒在等待队列scull_w_wait中阻塞等待的进程。
213 - 221行,定义scullwuid的文件操作函数集,除了open和release函数外,其它的函数都是与scull复用代码。
使用access_control测试scullwuid设备的过程如下图所示。注意,测试必须使用两个不同的普通用户进行。
由上图可以看出,当一个用户在操作scullwuid时,另一个用户的如果要打开scullwuid设备会被阻塞住。而当前一个用户操作完成了,被阻塞用户会解除阻塞,继续执行,如下图所示:
五、打开时clone设备
另一个实现访问控制的方法是,在进程打开设备时clone一个设备给进程使用。使用这种控制策略实现的设备是scullpriv,它使用当前进程控制终端的设备号作为访问虚拟设备的键值,也可以使用任意整数值做为键值,但是不同的键值将导致不同的访问策略。例如,使用uid作为键值,则会给每个用户clone一个设备。使用pid作为键值,则会给每个进程clone一个设备。所以,对于scullpriv,不同终端上的进程会有不同的clone设备。
下面是scullpriv的主要实现代码:
229/* The clone-specific data structure includes a key field */ 230 231struct scull_listitem { 232 struct scull_dev device; 233 dev_t key; 234 struct list_head list; 235 236}; 237 238/* The list of devices, and a lock to protect it */ 239static LIST_HEAD(scull_c_list); 240static spinlock_t scull_c_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; 241 242/* A placeholder scull_dev which really just holds the cdev stuff. */ 243static struct scull_dev scull_c_device; 244 245/* Look for a device or create one if missing */ 246static struct scull_dev *scull_c_lookfor_device(dev_t key) 247{ 248 struct scull_listitem *lptr; 249 250 list_for_each_entry(lptr, &scull_c_list, list) { 251 if (lptr->key == key) 252 return &(lptr->device); 253 } 254 255 /* not found */ 256 lptr = kmalloc(sizeof(struct scull_listitem), GFP_KERNEL); 257 if (!lptr) 258 return NULL; 259 260 /* initialize the device */ 261 memset(lptr, 0, sizeof(struct scull_listitem)); 262 lptr->key = key; 263 scull_trim(&(lptr->device)); /* initialize it */ 264 init_MUTEX(&(lptr->device.sem)); 265 266 /* place it in the list */ 267 list_add(&lptr->list, &scull_c_list); 268 269 return &(lptr->device); 270} 271 272static int scull_c_open(struct inode *inode, struct file *filp) 273{ 274 struct scull_dev *dev; 275 dev_t key; 276 277 if (!current->signal->tty) { 278 PDEBUG("Process \"%s\" has no ctl tty\n", current->comm); 279 return -EINVAL; 280 } 281 key = tty_devnum(current->signal->tty); 282 283 /* look for a scullc device in the list */ 284 spin_lock(&scull_c_lock); 285 dev = scull_c_lookfor_device(key); 286 spin_unlock(&scull_c_lock); 287 288 if (!dev) 289 return -ENOMEM; 290 291 /* then, everything else is copied from the bare scull device */ 292 if ( (filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY) 293 scull_trim(dev); 294 filp->private_data = dev; 295 return 0; /* success */ 296} 297 298static int scull_c_release(struct inode *inode, struct file *filp) 299{ 300 /* 301 * Nothing to do, because the device is persistent. 302 * A `real' cloned device should be freed on last close 303 */ 304 return 0; 305} 306 307 308 309/* 310 * The other operations for the device come from the bare device 311 */ 312struct file_operations scull_priv_fops = { 313 .owner = THIS_MODULE, 314 .llseek = scull_llseek, 315 .read = scull_read, 316 .write = scull_write, 317 .ioctl = scull_ioctl, 318 .open = scull_c_open, 319 .release = scull_c_release, 320};
我们从272scull_c_open函数开始分析。
277行,current->signal->tty代表当前进程的控制终端,如果当前进程没有控制终端,则退出。
281行,通过tty_devnum函数,取得当前进程控制终端的设备号,赋值给key。
285行,调用scull_c_lookfor_device(key)查找设备,如果没有,在scull_c_lookfor_device函数中会创建一个。注意,传递给scull_c_lookfor_device的参数是key。
下面看scull_c_lookfor_device函数的实现:
250 - 253行,遍历链表scull_c_list,如果有链表项的key值等于参数传递进来的key值,则说明已经为该控制终端clone过设备,则直接返回对应的设备结构。
256行,如果在scull_c_list链表中没有查找到对应key的节点,说明是第一次在该控制终端上打开设备,则为链表节点scull_listitem分配内存空间。
261 - 264行,初始化链表节点结构体。
267行,将链表节点加入到scull_c_list链表中。
269行,返回找到或新创建的scull_dev结构体。
298 - 305行,release函数不做任何事,因为scullpriv是永久存在的,如果是一个真正的clone设备,应该在最后一次关闭后释放空间。
312 - 320行,定义了设备文件操作函数集,除了open和release函数外,其它函数都是利用的scull的代码。
使用access_control测试scullpriv设备的过程如下图所示:
由上图可以看出,两个终端下的进程可以同时操作scullpriv,并且相互没有影响。因为两个终端操作的是两个不同的scullpriv的clone版本。