linux内核中的get_user和put_user

linux内核中的get_user和put_user

内核版本：2.6.14

CPU平台：arm

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在内核空间和用户空间交换数据时，get_user和put_user是两个两用的函数。相对于copy_to_user和copy_from_user(将在另一篇博客中分析)，这两个函数主要用于完成一些简单类型变量(char、int、long等)的拷贝任务，对于一些复合类型的变量，比如数据结构或者数组类型，get_user和put_user函数还是无法胜任，这两个函数内部将对指针指向的对象长度进行检查，在arm平台上只支持长度为1，2，4，8的变量。下面我具体分析，首先看get_user的定义(linux/include/asm-arm/uaccess.h)：

extern int __get_user_1(void *);
extern int __get_user_2(void *);
extern int __get_user_4(void *);
extern int __get_user_8(void *);
extern int __get_user_bad(void);

#define __get_user_x(__r2,__p,__e,__s,__i...)				\
	   __asm__ __volatile__ (					\
		__asmeq("%0", "r0") __asmeq("%1", "r2")			\ //进行判断(#define __asmeq(x, y) ".ifnc " x "," y " ; .err ; .endif\n\t")
		"bl	__get_user_" #__s				\ //根据参数调用不同的函数，此时r0=指向用户空间的指针，r2=内核空间的变量
		: "=&r" (__e), "=r" (__r2)				\
		: "0" (__p)						\
		: __i, "cc")

#define get_user(x,p)							\
	({								\
		const register typeof(*(p)) __user *__p asm("r0") = (p);\ //__p的数据类型和*(p)的指针数据类型是一样的，__p = p，且存放在r0寄存器中
		register typeof(*(p)) __r2 asm("r2");			\ //__r2的数据类型和*(p)的数据类型是一样的，且存放在r2寄存器中
		register int __e asm("r0");				\ //定义__e，存放在寄存器r0，作为返回值
		switch (sizeof(*(__p))) {				\ //对__p所指向的对象长度进行检查，并根据长度调用响应的函数
		case 1:							\
			__get_user_x(__r2, __p, __e, 1, "lr");		\
	       		break;						\
		case 2:							\
			__get_user_x(__r2, __p, __e, 2, "r3", "lr");	\
			break;						\
		case 4:							\
	       		__get_user_x(__r2, __p, __e, 4, "lr");		\
			break;						\
		case 8:							\
			__get_user_x(__r2, __p, __e, 8, "lr");		\
	       		break;						\
		default: __e = __get_user_bad(); break;			\ //默认处理
		}							\
		x = __r2;						\
		__e;							\
	})

上面的源码涉及到gcc的内联汇编，不太了解的朋友可以参考前面的博客(http://blog.csdn.net/ce123/article/details/8209702)。继续，跟踪__get_user_1等函数的执行，它们的定义如下(linux/arch/arm/lib/getuser.S)。

.global	__get_user_1
__get_user_1:
1:	ldrbt	r2, [r0]
	mov	r0, #0
	mov	pc, lr

	.global	__get_user_2
__get_user_2:
2:	ldrbt	r2, [r0], #1
3:	ldrbt	r3, [r0]
#ifndef __ARMEB__
	orr	r2, r2, r3, lsl #8
#else
	orr	r2, r3, r2, lsl #8
#endif
	mov	r0, #0
	mov	pc, lr

	.global	__get_user_4
__get_user_4:
4:	ldrt	r2, [r0]
	mov	r0, #0
	mov	pc, lr

	.global	__get_user_8
__get_user_8:
5:	ldrt	r2, [r0], #4
6:	ldrt	r3, [r0]
	mov	r0, #0
	mov	pc, lr

__get_user_bad_8:
	mov	r3, #0
__get_user_bad:
	mov	r2, #0
	mov	r0, #-EFAULT
	mov	pc, lr

.section __ex_table, "a"
	.long	1b, __get_user_bad
	.long	2b, __get_user_bad
	.long	3b, __get_user_bad
	.long	4b, __get_user_bad
	.long	5b, __get_user_bad_8
	.long	6b, __get_user_bad_8
.previous

这段代码都是单条汇编指令实现的内存操作，就不进行详细注解了。如果定义__ARMEB__宏，则是支持EABI的大端格式代码(http://blog.csdn.net/ce123/article/details/8457491)，关于大端模式和小端模式的详细介绍，可以参考http://blog.csdn.net/ce123/article/details/6971544。这段代码在.section __ex_table, "a"之前都是常规的内存拷贝操纵，特殊的地方在于后面定义“__ex_table”section 。

标号1,2，...，6处是内存访问指令，如果mov的源地址位于一个尚未被提交物理页面的空间中，将产生缺页异常，内核会调用do_page_fault函数处理这个异常，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，在上面这段带面的最后，“__ex_table”section 中定义了如下数据：

.section __ex_table, "a"
	.long	1b, __get_user_bad //其中1b对应标号1处的指令，__get_user_bad是1处指令的修复指令。
	.long	2b, __get_user_bad
	.long	3b, __get_user_bad
	.long	4b, __get_user_bad
	.long	5b, __get_user_bad_8
	.long	6b, __get_user_bad_8

当标号1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__get_user_bad继续执行。get_user函数如果成果执行则返回1，否则返回-EFAULT。

put_user用于将内核空间的一个简单类型变量x拷贝到p所指向的用户空间。该函数可以自动判断变量的类型，如果执行成功则返回0，否则返回-EFAULT。下面给出它们的定义(linux/include/asm-arm/uaccess.h)。

extern int __put_user_1(void *, unsigned int);
extern int __put_user_2(void *, unsigned int);
extern int __put_user_4(void *, unsigned int);
extern int __put_user_8(void *, unsigned long long);
extern int __put_user_bad(void);

#define __put_user_x(__r2,__p,__e,__s)					\
	   __asm__ __volatile__ (					\
		__asmeq("%0", "r0") __asmeq("%2", "r2")			\
		"bl	__put_user_" #__s				\
		: "=&r" (__e)						\
		: "0" (__p), "r" (__r2)					\
		: "ip", "lr", "cc")

#define put_user(x,p)							\
	({								\
		const register typeof(*(p)) __r2 asm("r2") = (x);	\
		const register typeof(*(p)) __user *__p asm("r0") = (p);\
		register int __e asm("r0");				\
		switch (sizeof(*(__p))) {				\
		case 1:							\
			__put_user_x(__r2, __p, __e, 1);		\
			break;						\
		case 2:							\
			__put_user_x(__r2, __p, __e, 2);		\
			break;						\
		case 4:							\
			__put_user_x(__r2, __p, __e, 4);		\
			break;						\
		case 8:							\
			__put_user_x(__r2, __p, __e, 8);		\
			break;						\
		default: __e = __put_user_bad(); break;			\
		}							\
		__e;							\
	})

__put_user_1等函数的的定义如下(linux/arch/arm/lib/putuser.S)。

.global	__put_user_1
__put_user_1:
1:	strbt	r2, [r0]
	mov	r0, #0
	mov	pc, lr

	.global	__put_user_2
__put_user_2:
	mov	ip, r2, lsr #8
#ifndef __ARMEB__
2:	strbt	r2, [r0], #1
3:	strbt	ip, [r0]
#else
2:	strbt	ip, [r0], #1
3:	strbt	r2, [r0]
#endif
	mov	r0, #0
	mov	pc, lr

	.global	__put_user_4
__put_user_4:
4:	strt	r2, [r0]
	mov	r0, #0
	mov	pc, lr

	.global	__put_user_8
__put_user_8:
5:	strt	r2, [r0], #4
6:	strt	r3, [r0]
	mov	r0, #0
	mov	pc, lr

__put_user_bad:
	mov	r0, #-EFAULT
	mov	pc, lr

.section __ex_table, "a"
	.long	1b, __put_user_bad
	.long	2b, __put_user_bad
	.long	3b, __put_user_bad
	.long	4b, __put_user_bad
	.long	5b, __put_user_bad
	.long	6b, __put_user_bad
.previous

put_user函数就不具体分析了。get_user和put_user仅能完成一些简单类型变量的拷贝任务，后面我们将分析copy_to_user和copy_from_user。