详解如何在内核中操作某个文件？_Linux

详解如何在内核中操作某个文件？

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：

详解如何在内核中操作某个文件？

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\n",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\n",buf);



filp_close(file,NULL);

set_fs(old_fs);

return;

}

static int hello_init(void)

{

printk("hello_init \n");

test();

return 0;

}

static void hello_exit(void)

{

printk("hello_exit \n");

return;

}

module_init(hello_init);

module_exit(hello_exit);