从 Linux 内核访问用户空间内存

  内核 API

　　现在，让我们来研究一下用户操作用户内存的内核 API。请注意，这涉及内核和用户空间接口，而下一部分将研究其他的一些内存 API。用户空间内存访问函数在表 1 中列出。

表 1. 用户空间内存访问 API

函数	描述
access_ok	检查用户空间内存指针的有效性
get_user	从用户空间获取一个简单变量
put_user	输入一个简单变量到用户空间
clear_user	清除用户空间中的一个块，或者将其归零。
copy_to_user	将一个数据块从内核复制到用户空间
copy_from_user	将一个数据块从用户空间复制到内核
strnlen_user	获取内存空间中字符串缓冲区的大小
strncpy_from_user	从用户空间复制一个字符串到内核

　　正如您所期望的，这些函数的实现架构是独立的。例如在 x86 架构中，您可以使用 ./linux/arch/x86/lib/usercopy_32.c 和 usercopy_64.c 中的源代码找到这些函数以及在 ./linux/arch/x86/include/asm/uaccess.h 中定义的字符串。

　　当数据移动函数的规则涉及到复制调用的类型时（简单 VS. 聚集），这些函数的作用如图 4 所示。

图 4. 使用 User Space Memory Access API 进行数据移动

　　access_ok 函数

　　您可以使用 access_ok 函数在您想要访问的用户空间检查指针的有效性。调用函数提供指向数据块的开始的指针、块大小和访问类型（无论这个区域是用来读还是写的）。函数原型定义如下：

access_ok(　type,　addr,　size　);　

　　type 参数可以被指定为 VERIFY_READ 或 VERIFY_WRITE。VERIFY_WRITE 也可以识别内存区域是否可读以及可写（尽管访问仍然会生成 -EFAULT）。该函数简单检查地址可能是在用户空间，而不是内核。

　　get_user 函数

　　要从用户空间读取一个简单变量，可以使用 get_user 函数，该函数适用于简单数据类型，比如，char 和 int，但是像结构体这类较大的数据类型，必须使用 copy_from_user 函数。该原型接受一个变量（存储数据）和一个用户空间地址来进行 Read 操作：

get_user(　x,　ptr　);　

　　get_user 函数将映射到两个内部函数其中的一个。在系统内部，这个函数决定被访问变量的大小（根据提供的变量存储结果）并通过 __get_user_x 形成一个内部调用。成功时该函数返回 0，一般情况下，get_user 和 put_user 函数比它们的块复制副本要快一些，如果是小类型被移动的话，应该用它们。

　　put_user 函数

　　您可以使用 put_user 函数来将一个简单变量从内核写入用户空间。和 get_user 一样，它接受一个变量（包含要写的值）和一个用户空间地址作为写目标：

put_user(　x,　ptr　);　

　　和 get_user 一样，put_user 函数被内部映射到 put_user_x 函数，成功时，返回 0，出现错误时，返回 -EFAULT。

　　clear_user 函数

　　clear_user 函数被用于将用户空间的内存块清零。该函数采用一个指针（用户空间中）和一个型号进行清零，这是以字节定义的：

clear_user(　ptr,　n　);　

　　在内部，clear_user 函数首先检查用户空间指针是否可写（通过 access_ok），然后调用内部函数（通过内联组装方式编码）来执行 Clear 操作。使用带有 repeat 前缀的字符串指令将该函数优化成一个非常紧密的循环。它将返回不可清除的字节数，如果操作成功，则返回 0。

　　copy_to_user 函数

　　copy_to_user 函数将数据块从内核复制到用户空间。该函数接受一个指向用户空间缓冲区的指针、一个指向内存缓冲区的指针、以及一个以字节定义的长度。该函数在成功时，返回 0，否则返回一个非零数，指出不能发送的字节数。

copy_to_user(　to,　from,　n　);　

　　检查了向用户缓冲区写入的功能之后（通过 access_ok），内部函数 __copy_to_user 被调用，它反过来调用 __copy_from_user_inatomic（在 ./linux/arch/x86/include/asm/uaccess_XX.h 中。其中 XX 是 32 或者 64 ，具体取决于架构。）在确定了是否执行 1、2 或 4 字节复制之后，该函数调用 __copy_to_user_ll，这就是实际工作进行的地方。在损坏的硬件中（在 i486 之前，WP 位在管理模式下不可用），页表可以随时替换，需要将想要的页面固定到内存，使它们在处理时不被换出。i486 之后，该过程只不过是一个优化的副本。

　　copy_from_user 函数

　　copy_from_user 函数将数据块从用户空间复制到内核缓冲区。它接受一个目的缓冲区（在内核空间）、一个源缓冲区（从用户空间）和一个以字节定义的长度。和 copy_to_user 一样，该函数在成功时，返回 0 ，否则返回一个非零数，指出不能复制的字节数。

copy_from_user(　to,　from,　n　);　

　　该函数首先检查从用户空间源缓冲区读取的能力（通过 access_ok），然后调用 __copy_from_user，最后调用 __copy_from_user_ll。从此开始，根据构架，为执行从用户缓冲区到内核缓冲区的零拷贝（不可用字节）而进行一个调用。优化组装函数包含管理功能。

　　strnlen_user 函数

　　strnlen_user 函数也能像 strnlen 那样使用，但前提是缓冲区在用户空间可用。strnlen_user 函数带有两个参数：用户空间缓冲区地址和要检查的最大长度。

strnlen_user(　src,　n　);　

　　strnlen_user 函数首先通过调用 access_ok 检查用户缓冲区是否可读。如果是 strlen 函数被调用，max length 参数则被忽略。

　　strncpy_from_user 函数

　　strncpy_from_user 函数将一个字符串从用户空间复制到一个内核缓冲区，给定一个用户空间源地址和最大长度。

strncpy_from_user(　dest,　src,　n　);　

　　由于从用户空间复制，该函数首先使用 access_ok 检查缓冲区是否可读。和 copy_from_user 一样，该函数作为一个优化组装函数（在 ./linux/arch/x86/lib/usercopy_XX.c 中）实现。

　　内存映射的其他模式

　　上面部分探讨了在内核和用户空间之间移动数据的方法（使用内核初始化操作）。Linux 还提供一些其他的方法，用于在内核和用户空间中移动数据。尽管这些方法未必能够提供与用户空间内存访问函数相同的功能，但是它们在地址空间之间映射内存的功能是相似的。

　　在用户空间，注意，由于用户进程出现在单独的地址空间，在它们之间移动数据必须经过某种进程间通信机制。Linux 提供各种模式（比如，消息队列），但是最著名的是 POSIX 共享内存（shmem）。该机制允许进程创建一个内存区域，然后同一个或多个进程共享该区域。注意，每个进程可能在其各自的地址空间中映射共享内存区域到不同地址。因此需要相对的寻址偏移（offset addressing）。

　　mmap 函数允许一个用户空间应用程序在虚拟地址空间中创建一个映射，该功能在某个设备驱动程序类中是常见的，允许将物理设备内存映射到进程的虚拟地址空间。在一个驱动程序中，mmap 函数通过 remap_pfn_range 内核函数实现，它提供设备内存到用户地址空间的线性映射。

　　结束语

　　本文讨论了 Linux 中的内存管理主题，然后讨论了使用这些概念的用户空间内存访问函数。在用户空间和内核空间之间移动数据并没有表面上看起来那么简单，但是 Linux 包含一个简单的 API 集合，跨平台为您管理这个复杂的任务。