Linux内核态缺页会发生什么？一文玩转Exception fixup表

[导读]近日，我在写内核模块的时候犯了一个低级错误：直接access用户态的内存而没有使用copy_to_user/copy_from_user！在内核看来，用户态提供的虚拟地址是不可信的，所以在一旦在内核态访问用户态内存发生缺页中断，处理起来是非常棘手的。 Linux内核的做法是提

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近日，我在写内核模块的时候犯了一个低级错误：

直接access用户态的内存而没有使用copy_to_user/copy_from_user！

在内核看来，用户态提供的虚拟地址是不可信的，所以在一旦在内核态访问用户态内存发生缺页中断，处理起来是非常棘手的。

Linux内核的做法是提供了一张异常处理表，使用专有的函数来访问用户态内存。类似 try-catch块一般。具体详情可参见copy_to_user/copy_from_user的实现以及内核文档Documentation/x86/exception-tables.txt的描述。

本来简单看下这个异常处理表能怎么玩。

首先，我们可以写一片代码，将内核的异常处理表dump下来：

// show_extable.c#include <linux/module.h>#include <linux/kallsyms.h>
int (*_lookup_symbol_name)(unsigned long, char *);unsigned long (*_get_symbol_pos)(unsigned long, void *, void *);unsigned long start_ex, end_ex;
int init_module(void){ unsigned long i; unsigned long orig, fixup, originsn, fixinsn, offset, size; char name[128], fixname[128];
 _lookup_symbol_name = (void *)kallsyms_lookup_name("lookup_symbol_name"); _get_symbol_pos = (void *)kallsyms_lookup_name("get_symbol_pos"); start_ex = (unsigned long)kallsyms_lookup_name("__start___ex_table"); end_ex = (unsigned long)kallsyms_lookup_name("__stop___ex_table");
 // 按照exception_table_entry的sizeof从start遍历到end。 for(i = start_ex; i < end_ex; i += 2*sizeof(unsigned long)) { orig = i; // 取出exception_table_entry的insn字段地址。 fixup = i + sizeof(unsigned int); // 取出fixup字段地址。
 originsn = orig + *(unsigned int *)orig; // 根据相对偏移字段求出绝对地址 originsn |= 0xffffffff00000000; fixinsn = fixup + *(unsigned int *)fixup; fixinsn |= 0xffffffff00000000; _get_symbol_pos(originsn, &size, &offset); _lookup_symbol_name(originsn, name); _lookup_symbol_name(fixinsn, fixname); printk("[%lx]%s+0x%lx/0x%lx [%lx]%s\n", originsn, name, offset, size, fixinsn, fixname); }
 return -1;}MODULE_LICENSE("GPL");

我们看下输出：

# ___sys_recvmsg+0x253位置发生异常，跳转到ffffffff81649396处理异常。[ 7655.267616] [ffffffff8150d7a3]___sys_recvmsg+0x253/0x2b0 [ffffffff81649396]bad_to_user...# create_elf_tables+0x3cf位置处如果发生异常，跳转到ffffffff81648a07地址执行异常处理。[ 7655.267727] [ffffffff8163250e]create_elf_tables+0x3cf/0x509 [ffffffff81648a1b]bad_gs

一般而言，类似bad_to_user，bad_from_user之类的异常处理函数都是直接返回用户一个错误码，比如Bad address之类，并不是直接用户程序直接段错误，这一点和用户态访问非法地址直接发送SIGSEGV有所不同。比如：

#include <fcntl.h>int main(int argc, char **argv){ int fd; int ret; char *buf = (char *)0x56; // 显然是一个非法地址。
 fd = open("/proc/sys/net/nf_conntrack_max", O_RDWR | O_CREAT, S_IRWXU); perror("open"); ret = read(fd, buf, 100); perror("read");}

执行之：

[root@localhost test]# ./a.outopen: Successread: Bad address # 没有段错误，只是一个普通错误。

我们能不能将其行为修改成和用户态访问非法地址一致呢？简单，替换掉bad_to_user即可，代码如下：

// fix_ex.c#include <linux/module.h>#include <linux/sched.h>#include <linux/kallsyms.h>
int (*_lookup_symbol_name)(unsigned long, char *);unsigned long (*_get_symbol_pos)(unsigned long, void *, void *);unsigned long start_ex, end_ex;void *_bad_from_user, *_bad_to_user;
void kill_user_from(void){ printk("经理！rush tighten beat electric discourse!\n"); force_sig(SIGSEGV, current);}
void kill_user_to(void){ printk("经理！rush tighten beat electric discourse! SB 皮鞋\n"); force_sig(SIGSEGV, current);}
unsigned int old, new;
int (*_lookup_symbol_name)(unsigned long, char *);unsigned long (*_get_symbol_pos)(unsigned long, void *, void *);
int hook_fixup(void *origfunc1, void *origfunc2, void *newfunc1, void *newfunc2){ unsigned long i; unsigned long fixup, fixinsn; char fixname[128];

 for(i = start_ex; i < end_ex; i += 2*sizeof(unsigned long)) { fixup = i + sizeof(unsigned int); fixinsn = fixup + *(unsigned int *)fixup; fixinsn |= 0xffffffff00000000; _lookup_symbol_name(fixinsn, fixname); if (!strcmp(fixname, origfunc1) || !strcmp(fixname, origfunc2)) { unsigned long new; unsigned int newfix;
 if (!strcmp(fixname, origfunc1)) { new = (unsigned long)newfunc1; } else { new = (unsigned long)newfunc2; } new -= fixup; newfix = (unsigned int)new; *(unsigned int *)fixup = newfix; } }
 return 0;}
int init_module(void){ _lookup_symbol_name = (void *)kallsyms_lookup_name("lookup_symbol_name"); _get_symbol_pos = (void *)kallsyms_lookup_name("get_symbol_pos"); _bad_from_user = (void *)kallsyms_lookup_name("bad_from_user"); _bad_to_user = (void *)kallsyms_lookup_name("bad_to_user"); start_ex = (unsigned long)kallsyms_lookup_name("__start___ex_table"); end_ex = (unsigned long)kallsyms_lookup_name("__stop___ex_table");
 hook_fixup("bad_from_user", "bad_to_user", kill_user_from, kill_user_to); return 0;}void cleanup_module(void){ hook_fixup("kill_user_from", "kill_user_to", _bad_from_user, _bad_to_user);}
MODULE_LICENSE("GPL");

编译，加载，重新执行我们的a.out：

[root@localhost test]# insmod ./fix_ex.ko[root@localhost test]# ./a.outopen: Success段错误[root@localhost test]# dmesg[ 8686.091738] 经理！rush tighten beat electric discourse! SB 皮鞋[root@localhost test]#