linux内核中的copy_to_user和copy_from_user(一)
linux内核中的copy_to_user和copy_from_user(一)
Kernel version：2.6.14
CPU architecture：ARM920T
Author：ce123(http://blog.csdn.net/ce123)
1.copy_from_user
在学习Linux内核驱动的时候，经常会碰到copy_from_user和copy_to_user这两个函数，设备驱动程序中的ioctl函数就经常会用到。这两个函数负责在用户空间和内核空间传递数据。首先看看它们的定义(linux/include/asm-arm/uaccess.h)，先看copy_from_user：
static inline unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)
{
if (access_ok(VERIFY_READ, from, n))
n = __arch_copy_from_user(to, from, n);
else /* security hole - plug it */
memzero(to, n);
return n;
}
先看函数的三个参数：*to是内核空间的指针，*from是用户空间指针，n表示从用户空间想内核空间拷贝数据的字节数。如果成功执行拷贝操作，则返回0，否则返回还没有完成拷贝的字节数。
这个函数从结构上来分析，其实都可以分为两个部分：- 首先检查用户空间的地址指针是否有效；
- 调用__arch_copy_from_user函数。
1.1.access_ok
access_ok用来对用户空间的地址指针from作某种有效性检验，这个宏和体系结构相关，在arm平台上为(linux/include/asm-arm/uaccess.h)：
#define __range_ok(addr,size) ({ \
unsigned long flag, sum; \
__chk_user_ptr(addr); \
__asm__("adds %1, %2, %3; sbcccs %1, %1, %0; movcc %0, #0" \
: "=&r" (flag), "=&r" (sum) \
: "r" (addr), "Ir" (size), "0" (current_thread_info()->addr_limit) \
: "cc"); \
flag; })
#define access_ok(type,addr,size) (__range_ok(addr,size) == 0)
可以看到access_ok中第一个参数type并没有用到，__range_ok的作用在于判断addr+size之后是否还在进程的用户空间范围之内。下面我们具体看一下。这段代码涉及到GCC内联汇编，不懂的朋友可以先看看这篇博客(http://blog.csdn.net/ce123/article/details/8209702)。(1)unsigned long flag, sum;\\定义两个变量
- flag：保存结果的变量：非零代表地址无效，零代表地址可以访问。初始存放非零值(current_thread_info()->addr_limit)，也就是当前进程的地址上限值。
- sum：保存要访问的地址范围末端，用于和当前进程地址空间限制数据做比较。
(2)__chk_user_ptr(addr);\\定义是一个空函数
这个函数涉及到__CHECKER__宏的判断，__CHECKER__宏在通过Sparse（Semantic Parser for C）工具对内核代码进行检查时会定义的。在使用make C=1或C=2时便会调用该工具，这个工具可以检查在代码中声明了sparse所能检查到的相关属性的内核函数和变量。
这个函数涉及到__CHECKER__宏的判断，__CHECKER__宏在通过Sparse（Semantic Parser for C）工具对内核代码进行检查时会定义的。在使用make C=1或C=2时便会调用该工具，这个工具可以检查在代码中声明了sparse所能检查到的相关属性的内核函数和变量。
- 如果定义了__CHECKER__，__chk_user_ptr和__chk_io_ptr在这里只声明函数，没有函数体，目的就是在编译过程中Sparse能够捕捉到编译错误，检查参数的类型。
- 如果没有定义__CHECKER__，这就是一个空函数。
请看具体的定义(linux/compiler.h)：
#ifdef __CHECKER__ ... extern void __chk_user_ptr(void __user *); extern void __chk_io_ptr(void __iomem *); #else ... # define __chk_user_ptr(x) (void)0 # define __chk_io_ptr(x) (void)0 ... #endif(3)接下来是汇编：
adds %1, %2, %3
sum = addr + size 这个操作影响状态位(目的是影响是进位标志C)，以下的两个指令都带有条件CC，也就是当C=0的时候才执行。
如果上面的加法指令进位了（C=1），则以下的指令都不执行，flag就为初始值current_thread_info()->addr_limit(非0)，并返回。
如果没有进位（C=0），就执行下面的指令：
sbcccs %1, %1, %0
sum = sum - flag - 1，也就是(addr + size) - (current_thread_info()->addr_limit) - 1，操作影响符号位。
如果(addr + size) >= (current_thread_info()->addr_limit) - 1，则C=1
如果(addr + size) < (current_thread_info()->addr_limit) - 1，则C=0
当C=0的时候执行以下指令，否则跳过(flag非零)。
movcc %0, #0
flag = 0，给flag赋值0。
综上所述：__range_ok宏其实等价于：
- 如果(addr + size) >= (current_thread_info()->addr_limit) - 1，返回非零值
- 如果(addr + size) < (current_thread_info()->addr_limit)，返回零
从这里再次可以认识到，copy_from_user的使用是结合进程上下文的，因为他们要访问“user”的内存空间，这个“user”必须是某个特定的进程。通过上面的源码就知道，其中使用了current_thread_info()来检查空间是否可以访问。如果在驱动中使用这两个函数，必须是在实现系统调用的函数中使用，不可在实现中断处理的函数中使用。如果在中断上下文中使用了，那代码就很可能操作了根本不相关的进程地址空间。其次由于操作的页面可能被换出，这两个函数可能会休眠，所以同样不可在中断上下文中使用。
1.2.__arch_copy_from_user
在深入讲解之前，我们先想一个问题：为什么要使用copy_from_user函数？？？理论上，内核空间可以直接使用用户空间传过来的指针，即使要做数据拷贝的动作，也可以直接使用memcpy，事实上，在没有MMU的体系架构上，copy_form_user最终的实现就是利用了memcpy。但对于大多数有MMU的平台，情况就有了一些变化：用户空间传过来的指针是在虚拟地址空间上的，它指向的虚拟地址空间很可能还没有真正映射到实际的物理页面上。但这又能怎样呢？缺页导致的异常会透明的被内核予以修复(为缺页的地址空间提交新的物理页面)，访问到缺页的指令会继续运行仿佛什么都没有发生一样。但这只是用户空间缺页异常的行为，在内核空间这样却因一场必须被显示的修复，这是由内核提供的缺页异常处理函数的设计模式决定的，其背后的思想后：在内核态中，如果程序试图访问一个尚未提交物理页面的用户空间地址，内核必须对此保持警惕而不能像用户空间那样毫无察觉。
如果内核访问一个尚未被提交物理页面的空间，将产生缺页异常，内核会调用do_page_fault，因为异常发生在内核空间，do_page_fault将调用search_exception_tables在“ __ex_table”中查找异常指令的修复指令，在__arch_copy_from_user函数中经常使用USER宏，这个宏中了定义了“__ex_table”section。
linux/include/asm-arm/assembler.h
#define USER(x...) \ 9999: x; \ .section __ex_table,"a"; \ .align 3; \ .long 9999b,9001f; \ .previous
该定义中有如下数据；
.long 9999b,9001f;其中9999b对应标号9999处的指令，9001f是9001处的指令，是9999b处指令的修复指令。这样，当标号9999处发生缺页异常时，系统将调用do_page_fault提交物理页面，然后跳到9001继续执行。
如果在驱动程序中不使用copy_from_user而用memcpy来代替，对于上述的情形会产生什么结果呢？当标号9999出发生缺页异常时，系统在“__ex_table”section总将找不到修复地址，因为memcpy没有像copy_from_user那样定义一个“__ex_table”section，此时do_page_fault将通过no_context函数产生Oops。极有可能会看到类似如下信息：
Unable to handle kernel NULL pointer dereference at virtual address 00000fe0
所有为了确保设备驱动程序的安全，应该使用copy_from_user函数而不是memcpy。
下面我们深入分析__arch_copy_from_user函数的实现，该函数是用汇编实现的，定义在linux/arch/arm/lib/uaccess.S文件中。
/* Prototype: unsigned long __arch_copy_from_user(void *to,const void *from,unsigned long n);
* Purpose : copy a block from user memory to kernel memory
* Params : to - kernel memory
* : from - user memory
* : n - number of bytes to copy
* Returns : Number of bytes NOT copied.
*/
.cfu_dest_not_aligned:
rsb ip, ip, #4
cmp ip, #2
USER( ldrbt r3, [r1], #1) @ May fault
strb r3, [r0], #1
USER( ldrgebt r3, [r1], #1) @ May fault
strgeb r3, [r0], #1
USER( ldrgtbt r3, [r1], #1) @ May fault
strgtb r3, [r0], #1
sub r2, r2, ip
b .cfu_dest_aligned
ENTRY(__arch_copy_from_user)
stmfd sp!, {r0, r2, r4 - r7, lr}
cmp r2, #4
blt .cfu_not_enough
PLD( pld [r1, #0] )
PLD( pld [r0, #0] )
ands ip, r0, #3
bne .cfu_dest_not_aligned
.cfu_dest_aligned:
ands ip, r1, #3
bne .cfu_src_not_aligned
/*
* Seeing as there has to be at least 8 bytes to copy, we can
* copy one word, and force a user-mode page fault...
*/
.cfu_0fupi: subs r2, r2, #4
addmi ip, r2, #4
bmi .cfu_0nowords
USER( ldrt r3, [r1], #4)
str r3, [r0], #4
mov ip, r1, lsl #32 - PAGE_SHIFT @ On each page, use a ld/st??t instruction
rsb ip, ip, #0
movs ip, ip, lsr #32 - PAGE_SHIFT
beq .cfu_0fupi
/*
* ip = max no. of bytes to copy before needing another "strt" insn
*/
cmp r2, ip
movlt ip, r2
sub r2, r2, ip
subs ip, ip, #32
blt .cfu_0rem8lp
PLD( pld [r1, #28] )
PLD( pld [r0, #28] )
PLD( subs ip, ip, #64 )
PLD( blt .cfu_0cpynopld )
PLD( pld [r1, #60] )
PLD( pld [r0, #60] )
.cfu_0cpy8lp:
PLD( pld [r1, #92] )
PLD( pld [r0, #92] )
.cfu_0cpynopld: ldmia r1!, {r3 - r6} @ Shouldnt fault
stmia r0!, {r3 - r6}
ldmia r1!, {r3 - r6} @ Shouldnt fault
subs ip, ip, #32
stmia r0!, {r3 - r6}
bpl .cfu_0cpy8lp
PLD( cmn ip, #64 )
PLD( bge .cfu_0cpynopld )
PLD( add ip, ip, #64 )
.cfu_0rem8lp: cmn ip, #16
ldmgeia r1!, {r3 - r6} @ Shouldnt fault
stmgeia r0!, {r3 - r6}
tst ip, #8
ldmneia r1!, {r3 - r4} @ Shouldnt fault
stmneia r0!, {r3 - r4}
tst ip, #4
ldrnet r3, [r1], #4 @ Shouldnt fault
strne r3, [r0], #4
ands ip, ip, #3
beq .cfu_0fupi
.cfu_0nowords: teq ip, #0
beq .cfu_finished
.cfu_nowords: cmp ip, #2
USER( ldrbt r3, [r1], #1) @ May fault
strb r3, [r0], #1
USER( ldrgebt r3, [r1], #1) @ May fault
strgeb r3, [r0], #1
USER( ldrgtbt r3, [r1], #1) @ May fault
strgtb r3, [r0], #1
b .cfu_finished
.cfu_not_enough:
movs ip, r2
bne .cfu_nowords
.cfu_finished: mov r0, #0
add sp, sp, #8
LOADREGS(fd,sp!,{r4 - r7, pc})
.cfu_src_not_aligned:
bic r1, r1, #3
USER( ldrt r7, [r1], #4) @ May fault
cmp ip, #2
bgt .cfu_3fupi
beq .cfu_2fupi
.cfu_1fupi: subs r2, r2, #4
addmi ip, r2, #4
bmi .cfu_1nowords
mov r3, r7, pull #8
USER( ldrt r7, [r1], #4) @ May fault
orr r3, r3, r7, push #24
str r3, [r0], #4
mov ip, r1, lsl #32 - PAGE_SHIFT
rsb ip, ip, #0
movs ip, ip, lsr #32 - PAGE_SHIFT
beq .cfu_1fupi
cmp r2, ip
movlt ip, r2
sub r2, r2, ip
subs ip, ip, #16
blt .cfu_1rem8lp
PLD( pld [r1, #12] )
PLD( pld [r0, #12] )
PLD( subs ip, ip, #32 )
PLD( blt .cfu_1cpynopld )
PLD( pld [r1, #28] )
PLD( pld [r0, #28] )
.cfu_1cpy8lp:
PLD( pld [r1, #44] )
PLD( pld [r0, #44] )
.cfu_1cpynopld: mov r3, r7, pull #8
ldmia r1!, {r4 - r7} @ Shouldnt fault
subs ip, ip, #16
orr r3, r3, r4, push #24
mov r4, r4, pull #8
orr r4, r4, r5, push #24
mov r5, r5, pull #8
orr r5, r5, r6, push #24
mov r6, r6, pull #8
orr r6, r6, r7, push #24
stmia r0!, {r3 - r6}
bpl .cfu_1cpy8lp
PLD( cmn ip, #32 )
PLD( bge .cfu_1cpynopld )
PLD( add ip, ip, #32 )
.cfu_1rem8lp: tst ip, #8
movne r3, r7, pull #8
ldmneia r1!, {r4, r7} @ Shouldnt fault
orrne r3, r3, r4, push #24
movne r4, r4, pull #8
orrne r4, r4, r7, push #24
stmneia r0!, {r3 - r4}
tst ip, #4
movne r3, r7, pull #8
USER( ldrnet r7, [r1], #4) @ May fault
orrne r3, r3, r7, push #24
strne r3, [r0], #4
ands ip, ip, #3
beq .cfu_1fupi
.cfu_1nowords: mov r3, r7, get_byte_1
teq ip, #0
beq .cfu_finished
cmp ip, #2
strb r3, [r0], #1
movge r3, r7, get_byte_2
strgeb r3, [r0], #1
movgt r3, r7, get_byte_3
strgtb r3, [r0], #1
b .cfu_finished
.cfu_2fupi: subs r2, r2, #4
addmi ip, r2, #4
bmi .cfu_2nowords
mov r3, r7, pull #16
USER( ldrt r7, [r1], #4) @ May fault
orr r3, r3, r7, push #16
str r3, [r0], #4
mov ip, r1, lsl #32 - PAGE_SHIFT
rsb ip, ip, #0
movs ip, ip, lsr #32 - PAGE_SHIFT
beq .cfu_2fupi
cmp r2, ip
movlt ip, r2
sub r2, r2, ip
subs ip, ip, #16
blt .cfu_2rem8lp
PLD( pld [r1, #12] )
PLD( pld [r0, #12] )
PLD( subs ip, ip, #32 )
PLD( blt .cfu_2cpynopld )
PLD( pld [r1, #28] )
PLD( pld [r0, #28] )
.cfu_2cpy8lp:
PLD( pld [r1, #44] )
PLD( pld [r0, #44] )
.cfu_2cpynopld: mov r3, r7, pull #16
ldmia r1!, {r4 - r7} @ Shouldnt fault
subs ip, ip, #16
orr r3, r3, r4, push #16
mov r4, r4, pull #16
orr r4, r4, r5, push #16
mov r5, r5, pull #16
orr r5, r5, r6, push #16
mov r6, r6, pull #16
orr r6, r6, r7, push #16
stmia r0!, {r3 - r6}
bpl .cfu_2cpy8lp
PLD( cmn ip, #32 )
PLD( bge .cfu_2cpynopld )
PLD( add ip, ip, #32 )
.cfu_2rem8lp: tst ip, #8
movne r3, r7, pull #16
ldmneia r1!, {r4, r7} @ Shouldnt fault
orrne r3, r3, r4, push #16
movne r4, r4, pull #16
orrne r4, r4, r7, push #16
stmneia r0!, {r3 - r4}
tst ip, #4
movne r3, r7, pull #16
USER( ldrnet r7, [r1], #4) @ May fault
orrne r3, r3, r7, push #16
strne r3, [r0], #4
ands ip, ip, #3
beq .cfu_2fupi
.cfu_2nowords: mov r3, r7, get_byte_2
teq ip, #0
beq .cfu_finished
cmp ip, #2
strb r3, [r0], #1
movge r3, r7, get_byte_3
strgeb r3, [r0], #1
USER( ldrgtbt r3, [r1], #0) @ May fault
strgtb r3, [r0], #1
b .cfu_finished
.cfu_3fupi: subs r2, r2, #4
addmi ip, r2, #4
bmi .cfu_3nowords
mov r3, r7, pull #24
USER( ldrt r7, [r1], #4) @ May fault
orr r3, r3, r7, push #8
str r3, [r0], #4
mov ip, r1, lsl #32 - PAGE_SHIFT
rsb ip, ip, #0
movs ip, ip, lsr #32 - PAGE_SHIFT
beq .cfu_3fupi
cmp r2, ip
movlt ip, r2
sub r2, r2, ip
subs ip, ip, #16
blt .cfu_3rem8lp
PLD( pld [r1, #12] )
PLD( pld [r0, #12] )
PLD( subs ip, ip, #32 )
PLD( blt .cfu_3cpynopld )
PLD( pld [r1, #28] )
PLD( pld [r0, #28] )
.cfu_3cpy8lp:
PLD( pld [r1, #44] )
PLD( pld [r0, #44] )
.cfu_3cpynopld: mov r3, r7, pull #24
ldmia r1!, {r4 - r7} @ Shouldnt fault
orr r3, r3, r4, push #8
mov r4, r4, pull #24
orr r4, r4, r5, push #8
mov r5, r5, pull #24
orr r5, r5, r6, push #8
mov r6, r6, pull #24
orr r6, r6, r7, push #8
stmia r0!, {r3 - r6}
subs ip, ip, #16
bpl .cfu_3cpy8lp
PLD( cmn ip, #32 )
PLD( bge .cfu_3cpynopld )
PLD( add ip, ip, #32 )
.cfu_3rem8lp: tst ip, #8
movne r3, r7, pull #24
ldmneia r1!, {r4, r7} @ Shouldnt fault
orrne r3, r3, r4, push #8
movne r4, r4, pull #24
orrne r4, r4, r7, push #8
stmneia r0!, {r3 - r4}
tst ip, #4
movne r3, r7, pull #24
USER( ldrnet r7, [r1], #4) @ May fault
orrne r3, r3, r7, push #8
strne r3, [r0], #4
ands ip, ip, #3
beq .cfu_3fupi
.cfu_3nowords: mov r3, r7, get_byte_3
teq ip, #0
beq .cfu_finished
cmp ip, #2
strb r3, [r0], #1
USER( ldrgebt r3, [r1], #1) @ May fault
strgeb r3, [r0], #1
USER( ldrgtbt r3, [r1], #1) @ May fault
strgtb r3, [r0], #1
b .cfu_finished
.section .fixup,"ax"
.align 0
/*
* We took an exception. r0 contains a pointer to
* the byte not copied.
*/
9001: ldr r2, [sp], #4 @ void *to
sub r2, r0, r2 @ bytes copied
ldr r1, [sp], #4 @ unsigned long count
subs r4, r1, r2 @ bytes left to copy
movne r1, r4
blne __memzero
mov r0, r4
LOADREGS(fd,sp!, {r4 - r7, pc})
.previous
我们将在另一篇博文中详细分析该函数。