内核空间和用户空间

内核空间与用户空间之一：基础概念

分类： Linux内核 2010-01-27 19:26 354人阅读 评论(0) 收藏 举报

（1）Linux简化了分段机制，使得虚拟地址与线性地址总是一致，因此Linux的虚拟地址空间也为0～ 4G(32位地址最大访问极限)。Linux内核将这4G字节的空间分为两部分，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF），供内核使用，称为“内核空间”。而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF，供各个进程使用，称为“用户空间）。因为每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。

                                                                                

（2）其中，内核地址空间又被划分为"物理内存区"，"虚拟内存分配区"，"高端页面映射区"，"专用页面映射区"，"系统保留映射区"几个区域。在标准配置下，物理区最大长度为896M，系统的物理内存被顺序映射在物理区中，当系统物理内存大于896M时，超过物理区的那部分内存称为高端内存。低端内存和高端内存用highmem_start_page变量来定界，内核在存取高端内存时必须将它们映射到"高端页面映射区"。

      Linux保留内核空间最顶部128K区域作为保留区，紧接保留区以下的一段区域为专用页面映射区，它的总尺寸和每一页的用途由fixed_address枚举结构在编绎时预定义，用__fix_to_virt(index)可获取专用区内预定义页面的逻辑地址。在专用页面区内为CPU预定义了一张高端内存映射页，用于在中断处理中高端页面的映射操作。

      距离内核空间顶部32M，长度为4M的一段区域为高端内存映射区，它正好占用1个页帧表所表示的物理内存总量，它可以缓冲1024个高端页面的映射。在物理区和高端映射区之间为虚存内存分配区，用于vmalloc()函数，它的前部与物理区有8M隔离带，后部与高端映射区有8K的隔离带。

      当系统物理内存超过4G时，必须使用CPU的扩展分页(PAE)模式所提供的64位页目录项才能存取到4G以上的物理内存。在PAE模式下，线性地址到物理地址的转换使用3级页表，第1级页目录由线性地址的最高2位索引，每一目录项对应1G的寻址空间，第2级页目录项以9位索引，每一目录项对应2M的寻址空间，第3级页目录项以9位索引，每一目录项对应4K的页帧。

（3） 关于内核态和用户态：当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核运行态（或简称为内核态）。此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。当进程处于内核态时，执行的内核代码会使用当前进程的内核栈。每个进程都有自己的内核栈。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户运行态（用户态）。即此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。当正在执行用户程序而突然被中断程序中断时，此时用户程序也可以象征性地称为处于进程的内核态。因为中断处理程序将使用当前进程的内核栈。这与处于内核态的进程的状态有些类似。

                                                                         
      关于进程上下文和中断上下文。处理器总处于以下状态中的一种：
1、内核态，运行于进程上下文，内核代表进程运行于内核空间；
2、内核态，运行于中断上下文，内核代表硬件运行于内核空间；
3、用户态，运行于用户空间。

内核空间和用户空间之二：在内核空间中系统调用用户空间的内容

         在linux内核中操作用户文件的方法：使用get_fs()和set_fs(KERNEL_DS)调用系统调用改变权限，再通过内核文件操作函数，可以访问用户空间。

（1）宏介绍
     源码在include/asm/uaccess.h中，有如下定义：

#define MAKE_MM_SEG(s) ((mm_segment_t) { (s) })
#define KERNEL_DS MAKE_MM_SEG(0xFFFFFFFF)
#define USER_DS MAKE_MM_SEG(PAGE_OFFSET)
#define get_ds() (KERNEL_DS)
#define get_fs() (current->addr_limit)
#define set_fs(x) (current->addr_limit = (x))

    #define MAKE_MM_SEG(s) ((mm_segment_t) { (s) }) 
    #define KERNEL_DS MAKE_MM_SEG(0xFFFFFFFF) 
    #define USER_DS MAKE_MM_SEG(PAGE_OFFSET) 
    #define get_ds() (KERNEL_DS) 
    #define get_fs() (current->addr_limit) 
    #define set_fs(x) (current->addr_limit = (x)) 

而它的注释也很清楚： /* * The fs value determines whether argument validity checking should be performed or not. If get_fs() == USER_DS, checking is performed, with
get_fs() == KERNEL_DS, checking is bypassed.  For historical reasons, these macros are grossly misnamed. */

因此可以看到，fs的值是作为是否进行参数检查的标志。当系统调用的参数要求来自用户空间，在内核中使用系统调用的时候，set_fs(get_ds())改变了用户空间的限制，即扩大了用户空间范围，因此即可使用在内核中的参数了。

（2）函数实例，在一个模块中新建一个文本，并往文本中写入内容。

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/syscalls.h>
#include <asm/unistd.h>
#include <asm/uaccess.h>


#define MY_FILE "LogFile"
//#define MY_FILE "/root/LogFile"

asmlinkage long sys_open(const char __user *filename,int flags, int mode);

char buf[128];
struct file *file = NULL;



static int __init init(void)
{
        mm_segment_t old_fs;
        int ret = 0;
        printk("<0>""Hello, I'm the module that intends to write messages to file./n");


        if(file == NULL)
                file = filp_open(MY_FILE, O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0644);
        //                 file = sys_open(MY_FILE, O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0644);
        if (IS_ERR(file)) {
                printk("<0>""error occured while opening file %s, exiting.../n", MY_FILE);
                return 0;
        }
        memset(buf,0x61,128);

        sprintf(buf,"%s", "The Messages is xjkdljflk.");

        old_fs = get_fs();
        printk("<0>""old_fs is %lx/n",old_fs.seg);
        set_fs(KERNEL_DS);
        old_fs = get_fs();
        printk("<0>""old_fs is %lx/n",old_fs.seg);
        printk("<0>""KERNEL_DS is %lx/n",KERNEL_DS);
        ret = file->f_op->write(file, (char *)buf, sizeof(buf), &file->f_pos);
        if(ret < 0)
                printk("<0>""file write failed/n");
        set_fs(old_fs);


        return 0;
}

static void __exit fini(void)
{
        if(file != NULL)
                filp_close(file, NULL);
}

module_init(init);
module_exit(fini);
MODULE_LICENSE("GPL");

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/syscalls.h>
#include <asm/unistd.h>
#include <asm/uaccess.h>


#define MY_FILE "LogFile"
//#define MY_FILE "/root/LogFile"

asmlinkage long sys_open(const char __user *filename,int flags, int mode);

char buf[128];
struct file *file = NULL;

 

static int __init init(void)
{
        mm_segment_t old_fs;
        int ret = 0;
        printk("<0>""Hello, I'm the module that intends to write messages to file./n");


        if(file == NULL)
                file = filp_open(MY_FILE, O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0644);
        //                 file = sys_open(MY_FILE, O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT, 0644);
        if (IS_ERR(file)) {
                printk("<0>""error occured while opening file %s, exiting.../n", MY_FILE);
                return 0;
        }
        memset(buf,0x61,128);

        sprintf(buf,"%s", "The Messages is xjkdljflk.");

        old_fs = get_fs();
        printk("<0>""old_fs is %lx/n",old_fs.seg);
        set_fs(KERNEL_DS);
        old_fs = get_fs();
        printk("<0>""old_fs is %lx/n",old_fs.seg);
        printk("<0>""KERNEL_DS is %lx/n",KERNEL_DS);
        ret = file->f_op->write(file, (char *)buf, sizeof(buf), &file->f_pos);
        if(ret < 0)
                printk("<0>""file write failed/n");
        set_fs(old_fs);


        return 0;
}

static void __exit fini(void)
{
        if(file != NULL)
                filp_close(file, NULL);
}

module_init(init);
module_exit(fini);
MODULE_LICENSE("GPL");

     使用的Makefile如下：

ifeq ($(KERNELRELEASE),)

KERNELDIR := /usr/src/linux-headers-2.6.32-28-generic
PWD := $(shell pwd)


modules:
 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

modules_install:
 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install

clean:
 rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c
.PHONY:modules modules_install clean
else
obj-m := call.o
endif

ifeq ($(KERNELRELEASE),)

KERNELDIR := /usr/src/linux-headers-2.6.32-28-generic
PWD := $(shell pwd)


modules:
 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

modules_install:
 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install

clean:
 rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c 
.PHONY:modules modules_install clean
else
obj-m := call.o
endif

       编译完后，执行insmod和rmmod即可看到想要的结果。

（3）过程说明

         用flip_open函数打开文件，得到struct file *的指针fp。使用指针fp进行相应操作，如读文件可以用fp->f_ops->read，最后用filp_close()函数关闭文件。

        总之：要在内核空间使用系统调用，此时传递给->write（）的参数地址就是内核空间的地址了，在USER_DS之上(USER_DS ~ KERNEL_DS)，如果不做任何其它处理，在write()函数中，会认为该地址超过了USER_DS范围，所以会认为是用户空间的“蓄意破坏”，从而不允许进一步的执行； 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！