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如何在Linux内核中操作某个文件?

2021-03-09 10:51
一口Linux
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一、问题描述

如何在内核中操作某个文件?

问题

二、操作函数 

1. 分析

在用户态,读写文件可以通过read和write这两个系统调用来完成(C库函数实际上是对系统调用的封装)。但是,在内核态没有这样的系统调用,我们又该如何读写文件呢?

阅读Linux内核源码,可以知道陷入内核执行的是实际执行的是sys_read和sys_write这两个函数,但是这两个函数没有使用EXPORT_SYMBOL导出,也就是说其他模块不能使用。

在fs/open.c中系统调用具体实现如下(内核版本3.14):

SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *, filename, int, flags, umode_t, mode)

if (force_o_largefile())
 flags |= O_LARGEFILE;
return do_sys_open(AT_FDCWD, filename, flags, mode);

跟踪do_sys_open()函数,

long do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, umode_t mode)

struct open_flags op;
int fd = build_open_flags(flags, mode, &op);
struct filename *tmp;
if (fd)
 return fd;
tmp = getname(filename);
if (IS_ERR(tmp))
 return PTR_ERR(tmp);
fd = get_unused_fd_flags(flags);
if (fd >= 0) {
 struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, &op);
 if (IS_ERR(f)) {
  put_unused_fd(fd);
  fd = PTR_ERR(f);
 } else {
  fsnotify_open(f);
  fd_install(fd, f);
 }

putname(tmp);
return fd;

就会发现它主要使用了do_filp_open()函数该函数在fs/namei.c中,

struct file *do_filp_open(int dfd, struct filename *pathname,
 const struct open_flags *op)

struct nameidata nd;
int flags = op->lookup_flags;
struct file *filp;
filp = path_openat(dfd, pathname, &nd, op, flags | LOOKUP_RCU);
if (unlikely(filp == ERR_PTR(-ECHILD)))
 filp = path_openat(dfd, pathname, &nd, op, flags);
if (unlikely(filp == ERR_PTR(-ESTALE)))
 filp = path_openat(dfd, pathname, &nd, op, flags | LOOKUP_REVAL);
return filp;

该函数最终打开了文件,并返回file类型指针。所以我们只需要找到其他调用了do_filp_open()函数的地方,就可找到我们需要的文件操作函数。

而在文件fs/open.c中,filp_open函数也是调用了file_open_name函数,


* filp_open - open file and return file pointer

* @filename: path to open
* @flags: open flags as per the open(2) second argument
* @mode: mode for the new file if O_CREAT is set, else ignored

* This is the helper to open a file from kernelspace if you really
* have to.  But in generally you should not do this, so please move
* along, nothing to see here..

struct file *filp_open(const char *filename, int flags, umode_t mode)

struct filename name = {.name = filename};
return file_open_name(&name, flags, mode);

EXPORT_SYMBOL(filp_open);

函数file_open_name调用了do_filp_open,并且接口和sys_open函数极为相似,调用参数也和sys_open一样,并且使用EXPORT_SYMBOL导出了,所以在内核中可以使用该函数打开文件,功能非常类似于应用层的open。


* file_open_name - open file and return file pointer

* @name: struct filename containing path to open
* @flags: open flags as per the open(2) second argument
* @mode: mode for the new file if O_CREAT is set, else ignored

* This is the helper to open a file from kernelspace if you really
* have to.  But in generally you should not do this, so please move
* along, nothing to see here..

struct file *file_open_name(struct filename *name, int flags, umode_t mode)

struct open_flags op;
int err = build_open_flags(flags, mode, &op);
return err ? ERR_PTR(err) : do_filp_open(AT_FDCWD, name, &op);

2. 所有操作函数

使用同样的方法,找出了一组在内核操作文件的函数,如下:

功能函数原型打开文件struct file *filp_open(const char *filename, int flags, int mode)读文件ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)写文件ssize_t vfs_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)关闭文件int filp_close(struct file *filp, fl_owner_t id)

这些函数的参数非常类似于应用层文件IO函数,open、read、write、close。

3. 用户空间地址

虽然我们找到了这些函数,但是我们还不能直接使用。

因为在vfs_read和vfs_write函数中,其参数buf指向的用户空间的内存地址,如果我们直接使用内核空间的指针,则会返回-EFALUT。

这是因为使用的缓冲区超过了用户空间的地址范围。一般系统调用会要求你使用的缓冲区不能在内核区。这个可以用set_fs()、get_fs()来解决。

在include/asm/uaccess.h中,有如下定义:

#define MAKE_MM_SEG(s) ((mm_segment_t) { (s) })
#define KERNEL_DS MAKE_MM_SEG(0xFFFFFFFF)
#define USER_DS MAKE_MM_SEG(PAGE_OFFSET)
#define get_ds() (KERNEL_DS)
#define get_fs() (current->addr_limit)
#define set_fs(x) (current->addr_limit = (x))

如果使用,可以按照如下顺序执行:

mm_segment_t fs = get_fs();
set_fs(KERNEL_FS);
//vfs_write();
//vfs_read();
set_fs(fs);

详解:系统调用本来是提供给用户空间的程序访问的,所以,对传递给它的参数(比如上面的buf),它默认会认为来自用户空间,在read或write()函数中,为了保护内核空间,一般会用get_fs()得到的值来和USER_DS进行比较,从而防止用户空间程序“蓄意”破坏内核空间。

而现在要在内核空间使用系统调用,此时传递给read或write()的参数地址就是内核空间的地址了,在USER_DS之上(USER_DS ~ KERNEL_DS),如果不做任何其它处理,在write()函数中,会认为该地址超过了USER_DS范围,所以会认为是用户空间的“蓄意破坏”,从而不允许进一步的执行。

为了解决这个问题, set_fs(KERNEL_DS),将其能访问的空间限制扩大到KERNEL_DS,这样就可以在内核顺利使用系统调用了!

在VFS的支持下,用户态进程读写任何类型的文件系统都可以使用read和write这两个系统调用,但是在linux内核中没有这样的系统调用我们如何操作文件呢?

我们知道read和write在进入内核态之后,实际执行的是sys_read和sys_write,但是查看内核源代码,发现这些操作文件的函数都没有导出(使用EXPORT_SYMBOL导出),也就是说在内核模块中是不能使用的,那如何是好?

通过查看sys_open的源码我们发现,其主要使用了do_filp_open()函数,该函数在fs/namei.c中,而在改文件中,filp_open函数也是间接调用了do_filp_open函数,并且接口和sys_open函数极为相似,调用参数也和sys_open一样,并且使用EXPORT_SYMBOL导出了,所以我们猜想该函数可以打开文件,功能和open一样。

三、实例

Makefile

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m:=sysopen.o
else
KDIR :=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD  :=$(shell pwd)
all:
$(info "1st")
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -f *.ko *.o *.mod.o *.symvers *.cmd  *.mod.c *.order
endif

sysopen.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/syscalls.h>
#include <linux/file.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("yikoulinux");
void test(void)

struct file *file = NULL;
mm_segment_t old_fs;
loff_t  pos;
char buf[64]="yikoulinux";
printk("test()");
file = filp_open("/home/peng/open/test.txt",O_RDWR|O_APPEND|O_CREAT,0644);
if(IS_ERR(file)){
 return ;

old_fs = get_fs();
set_fs(KERNEL_DS);
pos = 0;
vfs_write(file,buf,sizeof(buf),&pos);
pos =0;
vfs_read(file, buf, sizeof(buf), &pos);
printk("buf:%s",buf);

filp_close(file,NULL);
set_fs(old_fs);
return;

static int hello_init(void)

printk("hello_init ");
test();
return 0;

static void hello_exit(void)

printk("hello_exit ");
return;

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

编译:

安装模块:

查看操作的文件:

查看文件内容:

可见在内核模块中成功操作了文件。


声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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