Linux Kernel 编程

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前言

这学期选了一门《Linux内核》的交叉选修课程，总共做了5个lab实验，于是在此期末之际，我写下一些记录便于以后参考。具体的代码以及实验报告我都在github上列了出来：https://github.com/Tongzhixin/Linux_Kernel_Lab。

这里只是简单说一些。

踩坑

所做的实验除了第二个外都是编写linux模块。

模块编程试炼

这一份代码中，包含了proc文件的创建，权限，写操作，读操作等等，另外linux5.6版本以后的file_operations结构改了，特别需要注意。

#define BUF_SIZE 100
char global_buffer[BUF_SIZE]; //创建全局数组
#define BASE_DIR_NAME  "hello_proc" // 定义文件夹名称
#define FILE_NAME "hello" // 定义文件名称
static struct proc_dir_entry *file_entry; // 文件句柄
static struct proc_dir_entry *dir_entry;// 文件夹句柄

static int hello_proc_show(struct seq_file *m, void *v) {
  seq_printf(m, "Hello proc!\n");
  seq_printf(m, "global_buffer is %s\n", global_buffer);// 展示写入的内容
  return 0;
}

static int hello_proc_open(struct inode *inode, struct  file *file) {
  return single_open(file, hello_proc_show, NULL);
}
// write函数
static ssize_t hello_proc_write(struct file *file, const char __user *buffer, size_t count, loff_t *f_pos){
  int len;
  if(count<BUF_SIZE)len=count; // 比较大小，取小的一个
  else len = BUF_SIZE;
  copy_from_user(global_buffer, buffer, len);// 将写入的缓冲区内容拷贝给global_buffer
  global_buffer[len-1]='\0'; // 增加结束符号
  return len;
}
static const struct file_operations fops={
    .owner =THIS_MODULE,
    .read = seq_read,
    .open = hello_proc_open,
    .write = hello_proc_write,
    .llseek = seq_lseek,
    .release = single_release,
};
static int __init homework4_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "homework4 init()!!");
    dir_entry = proc_mkdir(BASE_DIR_NAME, NULL);
    // 文件夹创建
    if(!dir_entry){
      printk(KERN_INFO "proc create %s dir failed\n", BASE_DIR_NAME);
      return -1;
    }
    // 文件创建
    file_entry = proc_create(FILE_NAME, 0777, dir_entry, &fops);
    if(!file_entry)
    return -1;
    else{
      printk(KERN_INFO "created!");
      return 0;
    } 
} 
static void __exit homework4_exit(void)
{
  printk(KERN_INFO "finish homework4 exit()!!");
  // 退出之后要移除相应的文件，否则在正常文件系统中无法移除
  remove_proc_entry(FILE_NAME, dir_entry);
  remove_proc_entry(BASE_DIR_NAME,NULL);
}
module_init(homework4_init);
module_exit(homework4_exit);

进程管理

主要是对内核的源码进行更改然后编译，此次是修改进程控制块，往里面添加一个数据结构，然后在每次进程创建时，改变这个值，并在proc文件系统中创建一个可读可写的文件，能够显示出这个数据结构的值。详情可见仓库中的报告。

主要的难点在于读源码以及频繁的编译和运行，很容易把系统搞挂。

内存管理

这是我花费最长，付出精力最多的一个实验，这个实验让我对内存中的地址管理有了深刻的认识，对页表的转换，虚拟地址与物理地址的转换都有了更深刻的认识。

整个实验可以分为四部分内容：

  • 创建proc文件并收集写入的内容，作为之后触发函数的条件
  • 打印当前进程的所有虚拟地址
  • 将虚拟地址转化为物理地址
  • 向虚拟地址中写入一个值
tips & questions

实现动态修改系统调用

  1. 寻找系统调用表内存地址
    • 系统调用表：在 Linux 系统中，每个系统调用都有相应的系统调用号作为唯一的标识，内核维护一张系统调用表：sys_call_table。在 64 位系统中，sys_call_table 的定义在 entry/syscall_64.c，可以把 sys_call_table 看作一个数组，索引为系统调用号，值为系统调用函数的起始地址。
    • 通过网上查资料，获取调用表地址，有多种方法，包括通过 /boot/System.map 获取、通过 /proc/kallsyms 获取、通过遍历内存搜索获取、调用kallsyms_lookup_name函数获取。其中前两种方式都是对文件内容进行过滤，而且第一种已经失效。
    • 内存遍历获取调用表起始地址：内核内存空间的起始地址 PAGE_OFFSET 变量和 sys_close 系统调用在内核模块中是可见的。系统调用号在同一ABI（x86与x64属于不同ABI）中是高度后向兼容的，可以直接引用（如 __NR_close ）。我们可以从内核空间起始地址开始，把每一个指针大小的内存假设成 sys_call_table 的地址，并用 __NR_close 索引去访问它的成员，如果这个值与 sys_close 的地址相同的话，就可以认为找到了 sys_call_table 的地址。在内核版本5.3之后sys_close被更换为ksys_close，这点需要注意。
    • kallsyms_lookup_name是最简单的一种方法，只需要调用该函数，参数为sys_call_table即可返回系统调用表的起始位置，非常方便，本次也使用这种方式进行系统调用表的获取。
  2. 自定义系统调用函数
    • 自定义的系统调用函数需要覆盖原有的系统调用函数，且需要保证正常调用能够运行，所以需要在自定义系统调用函数中调用原有的系统调用函数。
    • 查看所拦截的系统调用函数的参数，并依照其设置自定义调用函数的参数。
  3. 关闭与开启写保护
    • CR0 是系统内的控制寄存器之一。控制寄存器是一些特殊的寄存器，它们可以控制CPU的一些重要特性。 CR0的第16位是写保护未即WP位(486系列之后)，只要将这一位置0就可以禁用写保护，置1则可将其恢复。
    • 系统不允许修改系统调用表，在内存中设置了写保护，可以通过修改CR0寄存器的第16位进行禁用写保护。
    • Linux 内核提供的接口 set_bit 和 clear_bit 来操作比特。Linux5.0上直接调用write_cr0接口，能够顺利的写入CR0寄存器，而内核版本更新到Linux5.3以后,对CR0的修改进行了保护，所以这里需要自定义write_cr0的实现，直接从Linux5.0中把相关代码静态编译进入模块中。这样也可以绕过对CR0的保护。

感受

课程虽然是交叉选修，但是我仍然付出了很多精力在这个作业上面，授课老师也很认真地在讲解，更好的是这门课与操作系统在同一个学期，这样两者互补就很好，学到了很多知识。

但是我也发现了国内布置作业的一个弊端，助教给出的作业指导仍然不够详细，在进行内存管理的lab时，我找到了美国一所大学的cs相关课程的lab，跟我们的任务很相似，但是简单很多，他们仅仅要求打印每一个进程的虚拟地址块起点和终点的物理地址，但是他们的作业指导长达将近8页，对相关的知识点补充非常的详尽，我觉得这才应该是要求学生独立完成一个lab的前提条件。

另外，Linux内核博大精深，可玩性很高，很希望国内也能有很多人玩这么底层而不是整天只知道全栈开发、做业务、敛财这些事情。

Tongzhixinwelcome

Good Good Study, Day Day Up~