突破内核边界：__get_user与put_user如何守护Linux内存安全

突破内核边界：__get_user与put_user如何守护Linux内存安全

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你是否曾在调试内核模块时遇到过神秘的-EFAULT错误？是否困惑于用户空间与内核空间的数据交换为何如此复杂？本文将深入解析Linux内核中最关键的内存安全函数——__get_user与put_user，带你掌握用户空间内存访问的底层逻辑，彻底解决数据传输中的安全隐患。读完本文，你将能够：

• 理解内核与用户空间隔离的底层机制
• 正确使用__get_user/put_user系列函数
• 识别并修复常见的内存访问错误
• 通过实例掌握安全数据传输的最佳实践

内核与用户空间：一道不可逾越的鸿沟

在Linux系统中，内存被严格划分为内核空间（Kernel Space）和用户空间（User Space）两大区域。这种隔离是操作系统安全的基石，防止用户进程直接访问内核敏感数据。当内核需要与用户空间交换数据时，必须通过特殊的接口函数，而__get_user与put_user就是最基础也最重要的两个工具。

内存隔离的底层实现

x86架构中，内核通过页表（Page Table）和特权级（Ring Level）实现内存隔离。内核运行在最高特权级（Ring 0），可以访问所有内存；而用户进程运行在最低特权级（Ring 3），其访问范围受到页表限制。当用户进程试图访问内核内存时，CPU会触发一般保护异常（General Protection Fault），终止进程执行。

用户空间访问的特殊挑战

内核访问用户空间内存面临两大挑战：

1. 地址有效性验证：用户提供的指针可能指向无效地址或内核空间
2. 页面可用性：用户空间页面可能被换出到磁盘（Page Out）

为解决这些问题，Linux内核提供了两类函数：

• 安全版本：get_user()和put_user()，自动进行地址验证和异常处理
• 快速版本：__get_user()和__put_user()，需要调用者提前验证地址

__get_user：从用户空间安全读取数据

__get_user函数用于从用户空间读取数据到内核空间，其定义位于架构相关的头文件中。以x86架构为例，实现代码位于arch/x86/include/asm/uaccess.h。

函数原型与工作原理

#define __get_user(x, ptr) do_get_user_call(get_user_nocheck,x,ptr)

__get_user是一个宏函数，通过内联汇编实现，核心逻辑包括：

1. 验证用户空间指针有效性（需调用者提前通过access_ok()验证）
2. 切换到用户空间访问模式（通过stac指令启用SMAP保护）
3. 执行数据传输（通过mov指令）
4. 处理可能的页面错误（通过异常表_ASM_EXTABLE_UA）

典型使用场景

在bpf_trace.c中，__get_user被用于读取用户提供的探针参数：

if (__get_user(usymbol, usyms + i)) {
    // 错误处理逻辑
}

这段代码从用户空间数组usyms读取第i个元素到内核变量usymbol，如果发生错误（如无效地址），函数返回非零值。

与get_user的关键区别

__get_user与get_user的主要区别在于安全检查：

• get_user会自动调用might_fault()和access_ok()进行安全检查
• __get_user假设调用者已完成地址验证，因此执行速度更快

// get_user定义（自动检查）
#define get_user(x,ptr) ({ might_fault(); do_get_user_call(get_user,x,ptr); })

// __get_user定义（无检查）
#define __get_user(x,ptr) do_get_user_call(get_user_nocheck,x,ptr)

put_user：向用户空间安全写入数据

与__get_user相对应，put_user函数用于将内核数据写入用户空间，其实现同样位于arch/x86/include/asm/uaccess.h。

函数原型与工作流程

#define put_user(x, ptr) ({ might_fault(); do_put_user_call(put_user,x,ptr); })

put_user的工作流程包括：

1. 验证用户空间指针有效性（access_ok()）
2. 切换到用户空间访问模式
3. 执行数据写入操作
4. 恢复内核访问模式并检查错误

实际应用案例

在kernel/power/user.c中，put_user用于向用户空间返回系统休眠状态：

error = put_user(in_suspend, (int __user *)arg);

这段代码将内核变量in_suspend（表示系统是否正在休眠）的值写入用户提供的地址arg。

错误处理机制

put_user通过内联汇编中的异常处理机制捕获内存访问错误：

asm volatile("call __put_user_%c[size]"
     : "=c" (__ret_pu), ASM_CALL_CONSTRAINT
     : "0" (__ptr_pu), "r" (__val_pu), [size] "i" (sizeof(*(ptr)))
     :"ebx");

当发生页面错误时，CPU会跳转到异常处理程序，最终返回-EFAULT错误码。

实战指南：安全使用的最佳实践

完整使用流程

安全访问用户空间内存的标准流程包括三个步骤：

1. 地址验证：使用access_ok()检查指针有效性
2. 数据传输：使用__get_user/__put_user传输数据
3. 错误处理：检查返回值并处理可能的错误

// 完整示例代码
int copy_from_user_example(void __user *user_ptr) {
    int data;
    if (!access_ok(user_ptr, sizeof(int))) {
        return -EFAULT; // 地址无效
    }
    if (__get_user(data, (int __user *)user_ptr)) {
        return -EFAULT; // 读取失败
    }
    // 成功读取数据，进行处理
    return 0;
}

常见错误与解决方案

错误类型	原因分析	解决方案
-EFAULT	用户指针无效或指向内核空间	使用access_ok()提前验证
数据损坏	未考虑数据对齐问题	使用get_user自动处理对齐
性能问题	频繁调用get_user导致多次检查	批量传输或使用__get_user
SMAP错误	未正确处理SMAP保护	确保使用stac/clac指令对

性能优化技巧

1. 批量传输：对于大量数据，使用copy_from_user()/copy_to_user()而非多次__get_user/put_user
2. 地址缓存：如果多次访问同一用户空间地址，缓存access_ok()的结果
3. 使用快速版本：在循环内部使用__get_user而非get_user

底层实现：从宏定义到汇编代码

宏定义展开过程

__get_user的宏定义看似简单，实则展开为复杂的内联汇编：

#define do_get_user_call(fn,x,ptr) ({ \
    int __ret_gu; \
    register __inttype(*(ptr)) __val_gu asm("%edx"); \
    __chk_user_ptr(ptr); \
    asm volatile("call __" #fn "_%c[size]" \
         : "=a" (__ret_gu), "=r" (__val_gu), ASM_CALL_CONSTRAINT \
         : "0" (ptr), [size] "i" (sizeof(*(ptr)))); \
    (x) = (__force __typeof__(*(ptr))) __val_gu; \
    __builtin_expect(__ret_gu, 0); \
})

这段宏定义通过GCC扩展实现了类型安全和高效的汇编调用。

汇编级实现细节

x86架构中，__get_user_4（读取4字节）的汇编实现如下：

__get_user_4:
    movl 4(%esp),%edx    ; 获取用户空间指针
    movl (%edx),%eax     ; 读取数据
    xorl %edx,%edx       ; 成功返回0
    ret
    _ASM_EXTABLE_UA(1b, 2b) ; 异常处理

当访问失败时，异常处理程序会设置%eax为-EFAULT并返回。

跨架构兼容性

虽然不同架构的实现细节不同，但__get_user和put_user的接口在所有架构中保持一致。例如：

• ARM架构：arch/arm/include/asm/uaccess.h
• PowerPC架构：arch/powerpc/include/asm/uaccess.h
• RISC-V架构：arch/riscv/include/asm/uaccess.h

这种接口一致性确保了内核代码的跨平台可移植性。

总结与展望

__get_user与put_user看似简单，却是Linux内核安全的关键防线。它们通过精巧的宏定义和内联汇编，在性能和安全之间取得了完美平衡。随着硬件安全特性（如SMAP/SMEP）的不断增强，这些函数的实现也在持续进化。

核心要点回顾

1. __get_user/put_user是内核访问用户空间的基础工具
2. 安全版本（get_user/put_user）自动处理地址验证
3. 快速版本（__get_user/__put_user）需要手动验证地址
4. 所有用户空间访问都必须通过这些函数，禁止直接指针操作

扩展学习资源

• 内核文档：Documentation/arm64/memory.txt
• 代码示例：samples/目录下的用户空间交互示例
• 异常处理：arch/x86/mm/fault.c中的页面错误处理

掌握这些基础工具，将为你深入理解Linux内核内存管理打下坚实基础。无论是开发内核模块、调试系统问题，还是优化性能瓶颈，对__get_user与put_user的深入理解都将成为你的得力助手。

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