Linux 0.11-从内核态到用户态-23

Posted 2022-12-10 热爱编程的大忽悠

Linux 0.11-从内核态到用户态-23

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从内核态到用户态

书接上回，上回书咱们从整体上鸟瞰了一下第三部分要讲的内容，代码上就是还差四句话就走到了 main 函数的尽头。

void main(void) 
    ...    
    move_to_user_mode();
    if (!fork()) 
        init();
    
    for(;;) pause();

今天我们就重点讲这第一句代码，move_to_user_mode。

让进程无法逃出用户态

这行代码的意思直接说非常简单，就是从内核态转变为了用户态，但要解释清楚这个意思，还需要听我慢慢道来。

我相信你肯定听说过操作系统的内核态与用户态，用户进程都在用户态这个特权级下运行，而有时程序想要做一些内核态才允许做的事情，比如读取硬盘的数据，就需要通过系统调用，来请求操作系统在内核态特权级下执行一些指令。

我们现在的代码，还是在内核态下运行，之后操作系统达到怠速状态时，是以用户态的 shell 进程运行，随时等待着来自用户输入的命令。

所以，就在这一步，也就是 move_to_user_mode 这行代码，作用就是将当前代码的特权级，从内核态变为用户态。

一旦转变为了用户态，那么之后的代码将一直处于用户态的模式，除非发生了中断，比如用户发出了系统调用的中断指令，那么此时将会从用户态陷入内核态，不过当中断处理程序执行完之后，又会通过中断返回指令从内核态回到用户态。

整个过程被操作系统的机制拿捏的死死的，始终让用户进程处于用户态运行，必要的时候陷入一下内核态，但很快就会被返回而再次回到用户态，是不是非常无奈？这样操作系统就掌控了控制权，而用户进程再怎么折腾也无法逃出这个模式。

内核态与用户态的本质-特权级

首先从一个最大的视角来看，这一切都源于 CPU 的保护机制。CPU 为了配合操作系统完成保护机制这一特性，分别设计了分段保护机制与分页保护机制。

当我们在 第七回 | 六行代码就进入了保护模式 将 cr0 寄存器的 PE 位开启时，就开启了保护模式，也即开启了分段保护机制。

当我们在 第九回 | Intel 内存管理两板斧：分段与分页 将 cr0 寄存器的 PG 位开启时，就开启了分页模式，也即开启了分页保护机制。

有关特权级的保护，实际上属于分段保护机制的一种。具体怎么保护的呢？由于这里的细节比较繁琐，所以我举个例子简单理解下即可，实际上的特权级检查规则要比我说的多好多内容。

我们目前正在执行的代码地址，是通过 CPU 中的两个寄存器 cs : eip 指向的对吧？cs 寄存器是代码段寄存器，里面存着的是段选择子，还记得它的结构么？

这里面的低端两位，此时表示 CPL，也就是当前所处的特权级，假如我们现在这个时刻，CS 寄存器的后两位为 3，二进制就是 11，就表示是当前处理器处于用户态这个特权级。

假如我们此时要跳转到另一处内存地址执行，在最终的汇编指令层面无非就是 jmp、call 和中断。我们拿 jmp 跳转来举例。

如果是短跳转，也就是直接 jmp xxx，那不涉及到段的变换，也就没有特权级检查这回事。

如果是长跳转，也就是 jmp yyy : xxx，这里的 yyy 就是另一个要跳转到的段的段选择子结构。

这个结构仍然是一样的段选择子结构，只不过这里的低端两位，表示 RPL，也就是请求特权级，表示我想请求的特权级是什么。同时，CPU 会拿这个段选择子去全局描述符表中寻找段描述符，从中找到段基址。

那还记得段描述符的样子么？

你看，这里面又有个 DPL，这表示目标代码段特权级，也就是即将要跳转过去的那个段的特权级。

好了，我们总结一下简图，就是这三个玩意的比较。

这里的检查规则比较多，简单说，绝大多数情况下，要求 CPL 必须等于 DPL，才会跳转成功，否则就会报错。

也就是说，当前代码所处段的特权级，必须要等于要跳转过去的代码所处的段的特权级，那就只能用户态往用户态跳，内核态往内核态跳，这样就防止了处于用户态的程序，跳转到内核态的代码段中做坏事。

这只是代码段跳转时所做的特权级检查，还有访问内存数据时也会有数据段的特权级检查，这里就不展开了。最终的效果是，处于内核态的代码可以访问任何特权级的数据段，处于用户态的代码则只可以访问用户态的数据段，这也就实现了内存数据读写的保护。

说了这么多，其实就是，代码跳转只能同特权级，数据访问只能高特权级访问低特权级。

特权级转换的方式

诶不对呀，那我们今天要讲的是，从内核态转变为用户态，那如果代码跳转只能同特权级跳，我们现在处于内核态，要怎么样才能跳转到用户态呢？

Intel 设计了好多种特权级转换的方式，中断和中断返回就是其中的一种。

处于用户态的程序，通过触发中断，可以进入内核态，之后再通过中断返回，又可以恢复为用户态。

就是刚刚的图所表示的。

而系统调用就是这么玩的，用户通过 int 0x80 中断指令触发了中断，CPU 切换至内核态，执行中断处理程序，之后中断程序返回，又从内核态切换回用户态。

但有个问题是，我们当前的代码，此时就是处于内核态，并不是由一个用户态程序通过中断而切换到的内核态，那怎么回到原来的用户态呢？答案还是，通过中断返回。

没有中断也能中断返回？可以的，Intel 设计的 CPU 就是这样不符合人们的直觉，中断和中断返回的确是应该配套使用的，但也可以单独使用，我们看代码。

void main(void) 
    ...    
    move_to_user_mode();
    ...


#define move_to_user_mode() \\
_asm  \\
    _asm mov eax,esp \\
    _asm push 00000017h \\
    _asm push eax \\
    _asm pushfd \\
    _asm push 0000000fh \\
    _asm push offset l1 \\
    _asm iretd /* 执行中断返回指令*/ \\
_asm l1: mov eax,17h \\
    _asm mov ds,ax \\
    _asm mov es,ax \\
    _asm mov fs,ax \\
    _asm mov gs,ax \\

你看，这个方法里直接就执行了中断返回指令 iretd。

那么为什么之前进行了一共五次的压栈操作呢？因为中断返回理论上就是应该和中断配合使用的，而此时并不是真的发生了中断到这里，所以我们得假装发生了中断才行。

怎么假装呢？其实就把栈做做工作就好了，中断发生时，CPU 会自动帮我们做如下的压栈操作。而中断返回时，CPU 又会帮我们把压栈的这些值返序赋值给响应的寄存器。

去掉错误码，刚好是五个参数，所以我们在代码中模仿 CPU 进行了五次压栈操作，这样在执行 iretd 指令时，硬件会按顺序将刚刚压入栈中的数据，分别赋值给 SS、ESP、EFLAGS、CS、EIP 这几个寄存器，这就感觉像是正确返回了一样，让其误以为这是通过中断进来的。

压入栈的 CS 和 EIP 就表示中断发生前代码所处的位置，这样中断返回后好继续去那里执行。

压入栈的 SS 和 ESP 表示中断发生前的栈的位置，这样中断返回后才好恢复原来的栈。

其中，特权级的转换，就体现在 CS 和 SS 寄存器的值里，都是细节！

CS 和 SS 寄存器是段寄存器的一种，段寄存器里的值是段选择子，其结构上面已经提过两遍了，在 第六回 | 先解决段寄存器的历史包袱问题 中也专门讲了这个结构的作用。

对着这个结构，我们看代码。

#define move_to_user_mode() \\
_asm  \\
    _asm mov eax,esp \\
    _asm push 00000017h \\ ; 给 SS 赋值
    _asm push eax \\
    _asm pushfd \\
    _asm push 0000000fh \\ ; 给 CS 赋值
    _asm push offset l1 \\
    _asm iretd /* 执行中断返回指令*/ \\
_asm l1: mov eax,17h \\
    _asm mov ds,ax \\
    _asm mov es,ax \\
    _asm mov fs,ax \\
    _asm mov gs,ax \\

拿 CS 举例，给它赋的值是，0000000fh，用二进制表示为：

0000000000001111

最后两位 11 表示特权级为 3，即用户态。而我们刚刚说了，CS 寄存器里的特权级，表示 CPL，即当前处理器特权级。

所以经过 iretd 返回之后，CS 的值就变成了它，而当前处理器特权级，也就变成了用户态特权级。

除了改变特权级之外

除了改变了特权级之外，还做了什么事情呢？

刚刚我们关注段寄存器，只关注了特权级的部分，我们再详细看看。

刚刚说了 CS 寄存器为 0000000000001111，最后两位表示用户态的含义。

那继续解读，倒数第三位 TI 表示，前面的描述符索引，是从 GDT 还是 LDT 中取，1 表示 LDT，也就是从局部描述符表中取。

前面的描述符索引为 1，表示从局部描述符表中取到代码段描述符，如果你熟悉前面我讲过的内容，你将会直接得出上述结论。不过我还是帮你回忆一下。

在 第18回 | 大名鼎鼎的进程调度就是从这里开始的 中，将 0 号 LDT 作为当前的 LDT 索引，记录在了 CPU 的 lldt 寄存器中。

#define lldt(n) __asm__("lldt %%ax"::"a" (_LDT(n)))

void sched_init(void) 
    ...
    lldt(0);
    ...

而整个 GDT 与 LDT 表的设计，经过整个 第一部分 进入内核前的苦力活 和 第二部分 大战前期的初始化工作 的设计后，成了这个样子。

所以，一目了然。

再看这行代码，把 EIP 寄存器赋值为了那行标号的地址。

void main(void) 
    ...    
    move_to_user_mode();
    ...


#define move_to_user_mode() \\
_asm  \\
    _asm mov eax,esp \\
    _asm push 00000017h \\
    _asm push eax \\
    _asm pushfd \\
    _asm push 0000000fh \\
    _asm push offset l1 \\
    _asm iretd /* 执行中断返回指令*/ \\
_asm l1: mov eax,17h \\
    _asm mov ds,ax \\
    _asm mov es,ax \\
    _asm mov fs,ax \\
    _asm mov gs,ax \\

这里刚好设置的是下面标号 l1 的位置，所以 iretd 之后 CPU 就乖乖去那里执行了。所以其实从效果上看，就是顺序往下执行，只不过利用了 iretd 做了些特权级转换等工作。

同理，这里的栈段 ss 和数据段 ds，都被赋值为了 17h，大家可以展开二进制算一下，他们又是什么特权级，对应的描述符又是谁。

总结

所以其实，最终效果上看就是按顺序执行了我们所写的指令，仿佛没有经过什么中断和中断返回的过程，但却通过中断返回实现了特权级的翻转，也就是从内核态变为了用户态，顺便设置了栈段、代码段和数据段的基地址。

好了，我们兜兜转转终于把这个 mov_to_user_mode 讲完了，特权级这块的检查细节非常繁琐，为了理解操作系统，我们只需要暂且记住如下一句话就好了：

数据访问只能高特权级访问低特权级，代码跳转只能同特权级跳转，要想实现特权级转换，可以通过中断和中断返回来实现。

OK，我们现在已经进入了用户态，也即表明了需要内核态来完成的工作已经全部安排妥当了，其实就是整个 第一部分 进入内核前的苦力活 和 第二部分 大战前期的初始化工作 的内容，对全局描述符表、中断描述符表、页表等关键内存结构进行设置，以及对 CPU 特殊寄存器如 cr0 和 cr3 的设置，还有对外设如硬盘、键盘、定时器的设置等。

看来我们又完成了一大堆苦力活呀，内核态做的工作也真是枯燥乏味呢。接下来只需要在用户态进行工作即可了！

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