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，

 
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。

 
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：

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  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
 
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); 

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。