copy_to_user()分析

本文详细解析了Linux内核中copy_to_user和copy_from_user函数的实现原理及工作流程,阐述了它们如何安全地在用户空间与内核空间之间传输数据。

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在内核的学习中会遇到很多挺有意思的函数,而且能沿着一个函数扯出来很多个相关的函数。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 longn)

{

      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);

从注释中就可以看出,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。它有如下三个参数,

      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。

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:

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gnuc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

接下来我们看一下

might_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

接下来是一个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

   接下来是一个宏

       access_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) ({ \

    unsignedlong 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

接下来的这个函数才是最重要的函数,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 longn)

{

      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"                  \

         jmp2b\n"                  \

       ".previous\n"                      \

       ".section__ex_table,\"a\"\n"              \

         .align4\n"                \

         .long1b,3b\n"                 \

       ".previous"                    \

       :"=r"(err)                    \

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

 


以上这两个函数是为了在拷贝小字节数据比如char/int等数据的时候考虑到效率来实现小数据拷贝。

而若n不是如上所说的常数,则进行数据块区域拷贝,其实现如下(~/arch/i386/lib/usercopy.c):

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

{

   BUG_ON((long) n < 0);

#ifndef CONFIG_X86_WP_WORKS_OK

    if(unlikely(boot_cpu_data.wp_works_ok == 0)&&

           ((unsigned long )to) < TASK_SIZE) {

       

       while (n) {

                unsigned long offset = ((unsigned long)to)%PAGE_SIZE;

           unsigned long len = PAGE_SIZE - offset;

           int retval;

           struct page *pg;

           void *maddr;

           

           if (len > n)

               len = n;

 

survive:

           down_read(&current->mm->mmap_sem);

           retval = get_user_pages(current, current->mm,

                   (unsigned long )to, 1, 1, 0, &pg, NULL);

 

           if (retval == -ENOMEM &&current->pid == 1) {

               up_read(&current->mm->mmap_sem);

               blk_congestion_wait(WRITE, HZ/50);

               goto survive;

           }

 

           if (retval != 1) {

               up_read(&current->mm->mmap_sem);

                    break;

              }

 

           maddr = kmap_atomic(pg, KM_USER0);

           memcpy(maddr + offset, from, len);

           kunmap_atomic(maddr, KM_USER0);

           set_page_dirty_lock(pg);

           put_page(pg);

           up_read(&current->mm->mmap_sem);

 

           from += len;

           to += len;

           n -= len;

       }

       return n;

    }

#endif

    if(movsl_is_ok(to, from, n))

       __copy_user(to, from, n);

    else

       n = __copy_user_intel(to, from, n);

    returnn;

}

EXPORT_SYMBOL(__copy_to_user_ll);

 

下面是copy_from_user函数的实现:

unsigned long

copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned longn)

{

      might_sleep();

      BUG_ON((long) n < 0);

      if (access_ok(VERIFY_READ, from, n))

             n = __copy_from_user(to, from, n);

      else

             memset(to, 0, n);

      return n;

}

EXPORT_SYMBOL(copy_from_user);

其实现方式与copy_to_user函数的实现方式类似:就不再累述了。

如上就是copy_to_user和copy_from_user两个函数的工作方式,这些进行简单的分析与跟踪。细节的部分还有待于进一步研究。

 

copy_to_user与mmap的工作原理

copy_to_user在每次拷贝时需要检测指针的合法性,也就是用户空间的指针所指向的地址的确是一段该进程本身的地址,而不是指向了不属于它的地方,而且每次都会拷贝一次数据,频繁访问内存,由于虚拟地址连续,物理地址不一定会连续,从而造成CPU的CACHE频繁失效,从而使速度降低  
 mmap仅在第一次使用时为进程建立页表,也就是将一段物理地址映射到一段虚拟地址上,以后操作时不再检测其地址的合法性(合法性交由CPU页保护异常来做),另一方面是内核下直接操作mmap地址,可以不用频繁拷贝,也就是说在内核下直接可用指针向该地址操作,而不再在内核中专门开一个缓冲区,然后将缓冲区中的数据拷贝一次进来,mmap一般是将一段连续的物理地址映射成一段虚拟地址,当然,也可以将每段连续,但各段不连续的物理地址映射成一段连续的虚拟地址,无论如何,其物理地址在每段之中是连续的,这样一来,就不会造成CPU的CACHE频繁失效,从而大大节约时间。

<think>嗯,用户问的是“龙蜥系统找不到 copy_from_user”,首先我需要确认用户遇到的具体问题。龙蜥系统(Anolis OS)是基于Linux的发行版,主要用于云计算和服务器环境。用户提到的copy_from_user是Linux内核中的一个函数,用于从用户空间复制数据到内核空间。如果系统提示找不到这个函数,可能有几个原因。 首先,考虑内核版本的问题。copy_from_user是一个内核函数,如果用户正在编写内核模块,可能需要确认当前使用的内核版本是否支持该函数。不同版本的内核可能会有函数名或头文件位置的变动。比如,某些较新的内核版本可能对函数进行了优化或替换,导致旧代码无法编译。 其次,检查头文件是否正确包含。copy_from_user通常在<linux/uaccess.h>头文件中声明。如果用户没有包含这个头文件,或者包含了错误的头文件,编译器就会报错。需要确认代码中是否有#include <linux/uaccess.h>这一行。 另外,权限问题也可能导致问题。用户可能在编写内核模块时,没有正确获取访问用户空间的权限。或者,在调用copy_from_user时,参数传递不正确,比如目标地址、源地址或长度有误,导致函数无法正常工作。 还有可能用户在内核配置中禁用了某些必要的选项,比如CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS,这可能会影响copy_from_user的可用性。需要检查内核的配置文件,确保相关配置是开启的。 此外,用户可能在非内核上下文中尝试调用copy_from_user,比如在用户空间的程序中,这显然是不允许的,因为该函数仅在内核空间有效。需要确认代码的运行环境是否正确。 最后,如果以上步骤都检查过没有问题,可能需要查看编译错误的具体信息,根据错误日志进一步排查。比如,函数未定义的错误可能提示链接器找不到对应的符号,这时候需要确认内核模块的Makefile是否正确,是否链接了必要的内核对象文件。 总结一下,解决这个问题的步骤可能包括:检查内核版本和文档,确认头文件包含,验证函数参数,检查内核配置,确认代码运行环境,以及分析编译错误日志。需要一步步排除可能的原因,找到具体的解决方案。</think>在 **龙蜥系统(Anolis OS)** 中遇到 `copy_from_user` 函数无法找到的问题,通常与内核编程环境或代码配置相关。以下是逐步排查和解决的思路: --- ### **1. 确认函数的存在性** `copy_from_user` 是 Linux 内核提供的核心函数,用于从用户空间复制数据到内核空间。 - **检查内核版本**: 通过命令 `uname -r` 查看当前内核版本。 - 若版本较新(如 ≥5.x),需确认是否因内核 API 变更导致函数被替换(例如改用 `copy_from_user_nofault`)。 - 若为旧版本(如 4.x),可能需检查函数签名或头文件路径。 --- ### **2. 头文件包含问题** `copy_from_user` 的声明位于头文件 **`<linux/uaccess.h>`** 中。 - **代码检查**: 确保内核模块代码中包含该头文件: ```c #include <linux/uaccess.h> ``` - **路径验证**: 确认内核源码路径正确(例如通过 `Kbuild` 或 `Makefile` 指定)。 --- ### **3. 内核配置与权限** - **内核配置选项**: 检查内核编译配置是否启用了必要选项(如 `CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS`),可通过以下命令查看: ```bash zcat /proc/config.gz | grep CONFIG_HAVE_EFFICIENT_UNALIGNED_ACCESS ``` - **权限问题**: `copy_from_user` 必须在**内核上下文**(如系统调用、驱动代码)中调用,无法在用户空间程序中使用。 --- ### **4. 常见错误场景** #### **场景 1:未正确编写内核模块** - **表现**:编译时报错 `implicit declaration` 或 `undefined reference`。 - **解决**: 确保代码为内核模块结构,并通过 `Makefile` 正确编译: ```makefile obj-m += your_module.o all: make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules ``` #### **场景 2:函数参数错误** - **函数原型**: ```c unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n); ``` - **关键参数**: - `to`:内核空间的目标地址(需已分配内存)。 - `from`:用户空间的源地址(需通过 `__user` 宏标记)。 - 若参数类型或内存未正确分配,可能导致编译或运行时错误。 --- ### **5. 替代方案与调试** - **替代函数**: 若因内核版本导致兼容性问题,可尝试: - `get_user`:复制单个变量。 - `memdup_user`:复制并分配内存。 - **调试方法**: - 使用 `printk` 输出调试信息。 - 通过 `dmesg` 查看内核日志,定位错误原因(如内存越界、空指针等)。 --- ### **总结** | **问题根源** | **解决方向** | |---------------------------|-------------------------------------| | 头文件缺失或路径错误 | 添加 `#include <linux/uaccess.h>` | | 内核版本不兼容 | 查阅内核文档,确认函数是否被弃用或改名 | | 代码未在内核上下文运行 | 确保调用场景为内核模块或系统调用 | | 参数传递错误 | 检查内存分配和 `__user` 标记 | 通过上述步骤逐步排查,可解决龙蜥系统中 `copy_from_user` 函数无法找到或调用失败的问题。
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