截獲Linux操作系統(tǒng)異常處理

作者：RichardUSTC 2013-05-06 17:08:00

在某些情況下，我們可能需要去截獲Linux操作系統(tǒng)的一些異常處理，比如截獲page fault異常處理。如果我們能夠修改內核，那么截獲page fault異常處理就會非常簡單。但是有些情況下，我們不能直接修改內核代碼，需要在已經編譯好的內核上完成截獲功能。

　　在某些情況下，我們可能需要去截獲Linux操作系統(tǒng)的一些異常處理，比如截獲page fault異常處理。

　　可以修改內核的情況下：

　　如果我們能夠修改內核，那么截獲page fault異常處理就會非常簡單。以linux 3.8.0內核為例，系統(tǒng)中發(fā)生page fault之后，會進入page fault異常處理，調用do_page_fault函數(shù)。do_page_fault的代碼如下：

dotraplinkage void __kprobes 
do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code) 
{ 
exception_enter(regs); 
__do_page_fault(regs, error_code); 
exception_exit(regs); 
}

　　我們把do_page_fault函數(shù)的內容提取出來，寫成一個新的函數(shù)default_do_page_fault。再增加一個函數(shù)指針do_page_fault_handler，初始化為default_do_page_fault。將原來的do_page_fault內部改為調用函數(shù)指針do_page_fault_handler。修改之后的代碼如下：

void 
default_do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code) 
{ 
exception_enter(regs); 
__do_page_fault(regs, error_code); 
exception_exit(regs); 
} 
EXPORT_SYMBOL(default_do_page_fault); 
typedef void (*do_page_fault_handler_t)(struct pt_regs *, unsigned long); 
do_page_fault_handler_t do_page_fault_handler = default_do_page_fault; 
EXPORT_SYMBOL(do_page_fault_handler); 
dotraplinkage void __kprobes 
do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code){ 
do_page_fault_handler(regs, error_code); 
}

　　由于do_page_fault_handler被EXPORT_SYMBOL導出，我們在內核模塊中可以很方便地訪問它。只要將do_page_fault_handler的值設置為自定義的page fault異常處理函數(shù)，就能完成截獲功能。如果想要恢復原來的異常處理函數(shù)，只需要再次把do_page_fault_handler設置為default_do_page_fault即可。

　　不能修改內核的情況下：

　　但是有些情況下，我們不能直接修改內核代碼，需要在已經編譯好的內核上完成截獲功能。

　　開始的時候，我考慮在do_page_fault函數(shù)開始處插入跳轉代碼，跳轉到自定義的page fault處理函數(shù)中。但是實踐的時候發(fā)現(xiàn)，內核不允許直接修改do_page_fault的代碼。

　　經過一番調查，又想到一個新的辦法，即通過更改IDT表的方式來截獲page fault。

　　內核原有的IDT表肯定是不能直接寫的，所以我申請了一個頁，將原來的IDT表復制過來，再更改頁面異常對應的ISR(Interrupt Service Routine)。page fault的ISR名稱為page_fault，它將寄存器壓棧，將error number壓棧，然后調用do_page_fault，待do_page_fault返回之后再恢復寄存器，退出異常處理。

　　在Linux內核中，ISR是用匯編寫的。例如，x86_64 Linux的ISR源碼位于內核源碼arch/x86/kernel/entry_64.S中，X86_32的位于arch/x86/kernel/entry_32.S中。如果去讀entry_64.S或者entry_32.S，你會發(fā)現(xiàn)這兩個文件非常復雜，利用了很多的匯編宏和宏定義，無法方便地基于它們寫一個自定義的ISR出來。

　　我的解決辦法是將內核編譯出來，反匯編vmlinux.o，然后查找page_fault，找到其匯編代碼。下面的匯編代碼就是linux-3.8.0 X86_64內核的：

ffffffff8136f6f0 <page_fault>: 
ffffffff8136f6f0:       66 66 90                data32 xchg %ax,%ax 
ffffffff8136f6f3:       ff 15 07 0a 2b 00       callq  *0x2b0a07(%rip)        # ffffffff81620100 <pv_irq_ops+0x30> 
ffffffff8136f6f9:       48 83 ec 78             sub    $0x78,%rsp 
ffffffff8136f6fd:       e8 ae 01 00 00          callq  ffffffff8136f8b0 <error_entry> 
ffffffff8136f702:       48 89 e7                mov    %rsp,%rdi 
ffffffff8136f705:       48 8b 74 24 78          mov    0x78(%rsp),%rsi 
ffffffff8136f70a:       48 c7 44 24 78 ff ff    movq   $0xffffffffffffffff,0x78(%rsp) 
ffffffff8136f711:       ff ff 
ffffffff8136f713:       e8 1f 2e 00 00          callq  ffffffff81372537 <do_page_fault> 
11 ffffffff8136f718:       e9 33 02 00 00          jmpq   ffffffff8136f950 <error_exit> 
12 ffffffff8136f71d:       0f 1f 00                nopl   (%rax)

　　我仿照著寫了一個，名為my_page_fault：

asmlinkage void my_page_fault(void); 
asm("   .text"); 
asm("   .type my_page_fault,@function"); 
asm("my_page_fault:"); 
//the first 3 bytes of the routine basically do nothing, 
//but I decide to keep them because kernel may rely on them for some special purpose 
asm("   .byte 0x66"); 
asm("   xchg %ax, %ax"); 
asm("   callq *addr_adjust_exception_frame"); 
asm("   sub $0x78, %rsp"); 
asm("   callq *addr_error_entry"); 
asm("   mov %rsp, %rdi"); 
asm("   mov 0x78(%rsp), %rsi"); 
asm("   movq $0xffffffffffffffff, 0x78(%rsp)"); 
asm("   callq my_do_page_fault"); 
asm("   jmpq *addr_error_exit"); 
asm("   nopl (%rax)");

　　其中第9行addr_adjust_exception_frame是(pv_irq_ops+0x30)地址處存儲的值；第11行addr_error_entry是error_entry的地址；第16行addr_error_exit是error_exit的地址。這幾個值需要從System.map文件中查詢，然后用內核模塊參數(shù)的形式傳入。而my_do_page_fault則是我們自己定義的page fault處理函數(shù)。

　　如果需要截獲X86_32的page fault，可以參考這個C文件。不過需要注意的是，新版內核有所變動，這里的代碼需要根據自己的情況做一些調整。

　　有了自定義的ISR之后，就可以將這個ISR填到IDT中，加載新的IDT表之后，自定義的page fault處理函數(shù)就開始發(fā)揮作用了。這個過程主要有以下幾個步驟：

用store_idt(&default_idtr)保存現(xiàn)有的IDT寄存器值
從default_idtr中讀出IDT表首地址和表的大小
申請一個頁面
將原來的idt表拷貝到新申請的頁面中
利用pack_gate將my_page_fault（注意不是my_do_page_fault）填入到對應的IDT項中
在idtr中填寫新的IDT表地址和大小，用load_idt(&idtr)加載新的IDT表到當前CPU
利用smp_call_function，將新的IDT表加載到其他CPU上。

　　如果想恢復原來的IDT表，則用load(&default_idtr)和smp_call_function加載原來的IDT表，釋放申請的頁面。

　　讀完文章之后，可以參考我的github中的代碼：https://github.com/RichardUSTC/intercept-page-fault-handler

責任編輯：黃丹來源：博客

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