执行 copy_from_user() 时，用户和内核空间之间如何真正交换数据？

Question

我正在编写我的第一个普通设备驱动程序，但遇到了一些问题：

• 我正在关注这本书，但在执行copy_(to|from)_user() API（或任何在用户和内核空间之间传输数据的 API）时，它似乎没有详细介绍工作细节。有些东西不是很详细，但是在内核上工作时必须知道的东西。

• copy_from_user() 的实现到底是什么样的？我遇到了以下 sn-ps，但它只是归结为汇编级别。我可能导航不正确。我已经看到了这个函数的一些引用，看起来如果它返回 0 以外的任何值，就会出错。

// https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/include/linux/uaccess.h#L189
static __always_inline unsigned long __must_check
copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)
{
    if (likely(check_copy_size(to, n, false)))
        n = _copy_from_user(to, from, n);
    return n;
}

__copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)
{
    might_fault();
    if (should_fail_usercopy())
        return n;
    instrument_copy_from_user(to, from, n);
    check_object_size(to, n, false);
    return raw_copy_from_user(to, from, n);
}

// https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/arch/arm64/include/asm/uaccess.h#L385
#define raw_copy_from_user(to, from, n)                 \
({                                  \
    unsigned long __acfu_ret;                   \
    uaccess_enable_not_uao();                   \
    __acfu_ret = __arch_copy_from_user((to),            \
                      __uaccess_mask_ptr(from), (n));   \
    uaccess_disable_not_uao();                  \
    __acfu_ret;                         \
})

// https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/arch/nds32/lib/copy_from_user.S#L34
.text
ENTRY(__arch_copy_from_user)
    add $r5, $r0, $r2
#include "copy_template.S"
    move    $r0, $r2
    ret
.section .fixup,"ax"
.align  2
9001:
    sub $r0, $r5, $r0
    ret
.previous
ENDPROC(__arch_copy_from_user)

Answer 1

在系统调用期间，内核仍然映射进程内存空间，因此可以在大多数现代架构上直接读写。主要工作是验证用户提供的地址和大小。此外，数据可能不是常驻的，因此可以触发正常的页面错误机制。之后它只是一个 memcpy。

大多数宏层和调用都是为了处理特定于架构的差异。例如，ARM 在您的示例代码中有用户访问覆盖 uao，它涉及对用户内存的特权模式访问。

编辑：

在系统调用期间，当前进程没有改变，因此内核在内存映射中同时拥有内核内存和用户进程内存。

地址验证是为了限制对允许的用户进程内存的访问。否则，用户进程可以将内核地址传递给写入，例如，并将内核内存复制到用户文件中。