核心中訪問空指標（基於kernel-4.9）
在C語言中，我們定義了NULL來表示空指標，空指標是一個特殊的指標，它其實就是0指標，*p = NULL和*p=0是等價的寫法。空指標是一個未賦值的指標，毫無意義的指標，如果訪問到該地址，那麼程式會出錯。
如果在Linux應用程式中訪問NULL指標：
會收到Segmentation Fault訊號，一般行為是該使用者程序會殺死自己，程式當然也可以捕獲對應的訊號自行處理，這種使用者態的錯誤是不會導致系統crash的。
如果是在核心中訪問到NULL指標分多種情況：
（1）如果是在核心態的程序上下文中訪問，那麼會執行oops動作，殺死當前程序，並列印相關資訊。
（2）如果是在核心態的其他上下文中（比如中斷上下文），那麼系統會執行panic動作。
（3）如果核心中有配置panic_on_oops，那麼上面發生oops的場景也會發生panic。
接下來我們來看一下程式碼中是如何執行的，當我們訪問一個頁表中不存在的地址時，那麼CPU首先會觸發一個異常，缺頁異常由硬體自動觸發。
首先我們需要看中斷向量表，當發生data abort異常時，ARM64會首先去執行entry.S中定義的：
el1_da:
......
mov x2, sp // struct pt_regs
bl do_mem_abort //主處理函式，C程式碼
......
el0_da:
/*
* Data abort handling
*/ 下面我們以此跟蹤下去，可以看到會執行到arch/arm64/mm/fault.c:
/*
* Dispatch a data abort to the relevant handler.
*/
asmlinkage void __exception do_mem_abort(unsigned long addr, unsigned int esr,
struct pt_regs *regs)
{
const struct fault_info *inf = esr_to_fault_info(esr); //根據esr找到對應的fault_info陣列成員
struct siginfo info;
if (!inf->fn(addr, esr, regs))
return;
pr_alert("Unhandled fault: %s (0x%08x) at 0x%016lx\n",
inf->name, esr, addr);
info.si_signo = inf->sig;
info.si_errno = 0;
info.si_code = inf->code;
info.si_addr = (void __user *)addr;
arm64_notify_die("", regs, &info, esr);
} static inline const struct fault_info *esr_to_fault_info(unsigned int esr)
{
return fault_info + (esr & 63);
} 下面來看fault info陣列的定義：
static const struct fault_info fault_info[] = {
{ do_bad, SIGBUS, 0, "ttbr address size fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 1 address size fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 2 address size fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 3 address size fault" },
{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 0 translation fault" },
{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 1 translation fault" },
{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 2 translation fault" },
{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 3 translation fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 8" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 1 access flag fault" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 2 access flag fault" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 3 access flag fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 12" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 1 permission fault" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 2 permission fault" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 3 permission fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous external abort" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 17" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 18" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 19" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous external abort (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous external abort (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous external abort (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous external abort (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 25" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 26" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 27" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 32" },
{ do_alignment_fault, SIGBUS, BUS_ADRALN, "alignment fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 34" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 35" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 36" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 37" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 38" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 39" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 40" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 41" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 42" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 43" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 44" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 45" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 46" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 47" },
{ do_tlb_conf_fault, SIGBUS, 0, "TLB conflict abort" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 49" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 50" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 51" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "implementation fault (lockdown abort)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "implementation fault (unsupported exclusive)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 54" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 55" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 56" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 57" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 58" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 59" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 60" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "section domain fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "page domain fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 63" },
};上面定義的fault info，主要關鍵的處理函式就如下幾個，分別是：
do_bad/do_alignment_fault/do_tlb_conf_fault/do_translation_fault/do_page_fault。
回到最初的問題，如果我們想要訪問的是指標0地址，那麼硬體會執行到do_page_fault這個函式中來進行處理。我們來繼續跟蹤一下，看看這個函式具體做了什麼吧。
static int __kprobes do_page_fault(unsigned long addr, unsigned int esr,
struct pt_regs *regs)
{
struct task_struct *tsk;
struct mm_struct *mm;
int fault, sig, code;
unsigned long vm_flags = VM_READ | VM_WRITE;
unsigned int mm_flags = FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY | FAULT_FLAG_KILLABLE;
if (notify_page_fault(regs, esr))
return 0;
tsk = current;
mm = tsk->mm;
/*
* If we're in an interrupt or have no user context, we must not take
* the fault.
*/
if (faulthandler_disabled() || !mm) //faulthandler_disabled()函式判斷是否faulthandler被disabled了或者是否處於中斷上下文
//!mm用來判斷是否沒有使用者程序的上下文，如果都處於中斷上下文或者沒有使用者上下文，那麼直接跳轉
goto no_context;
if (user_mode(regs))
mm_flags |= FAULT_FLAG_USER;
if (is_el0_instruction_abort(esr)) {
vm_flags = VM_EXEC;
} else if (((esr & ESR_ELx_WNR) && !(esr & ESR_ELx_CM)) ||
((esr & ESR_ELx_CM) && !(mm_flags & FAULT_FLAG_USER))) {
vm_flags = VM_WRITE;
mm_flags |= FAULT_FLAG_WRITE;
}
if (addr < USER_DS && is_permission_fault(esr, regs)) {
/* regs->orig_addr_limit may be 0 if we entered from EL0 */
if (regs->orig_addr_limit == KERNEL_DS)
die("Accessing user space memory with fs=KERNEL_DS", regs, esr);
if (is_el1_instruction_abort(esr))
die("Attempting to execute userspace memory", regs, esr);
if (!search_exception_tables(regs->pc))
die("Accessing user space memory outside uaccess.h routines", regs, esr);
}
/*
* As per x86, we may deadlock here. However, since the kernel only
* validly references user space from well defined areas of the code,
* we can bug out early if this is from code which shouldn't.
*/
if (!down_read_trylock(&mm->mmap_sem)) {
if (!user_mode(regs) && !search_exception_tables(regs->pc))
goto no_context;
retry:
down_read(&mm->mmap_sem);
} else {
/*
* The above down_read_trylock() might have succeeded in which
* case, we'll have missed the might_sleep() from down_read().
*/
might_sleep();
#ifdef CONFIG_DEBUG_VM
if (!user_mode(regs) && !search_exception_tables(regs->pc))
goto no_context;
#endif
}
fault = __do_page_fault(mm, addr, mm_flags, vm_flags, tsk);
/*
* If we need to retry but a fatal signal is pending, handle the
* signal first. We do not need to release the mmap_sem because it
* would already be released in __lock_page_or_retry in mm/filemap.c.
*/
if ((fault & VM_FAULT_RETRY) && fatal_signal_pending(current)) {
if (!user_mode(regs))
goto no_context;
return 0;
}
/*
* Major/minor page fault accounting is only done on the initial
* attempt. If we go through a retry, it is extremely likely that the
* page will be found in page cache at that point.
*/
perf_sw_event(PERF_COUNT_SW_PAGE_FAULTS, 1, regs, addr);
if (mm_flags & FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY) {
if (fault & VM_FAULT_MAJOR) {
tsk->maj_flt++;
perf_sw_event(PERF_COUNT_SW_PAGE_FAULTS_MAJ, 1, regs,
addr);
} else {
tsk->min_flt++;
perf_sw_event(PERF_COUNT_SW_PAGE_FAULTS_MIN, 1, regs,
addr);
}
if (fault & VM_FAULT_RETRY) {
/*
* Clear FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY to avoid any risk of
* starvation.
*/
mm_flags &= ~FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY;
mm_flags |= FAULT_FLAG_TRIED;
goto retry;
}
}
up_read(&mm->mmap_sem);
/*
* Handle the "normal" case first - VM_FAULT_MAJOR
*/
if (likely(!(fault & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_BADMAP |
VM_FAULT_BADACCESS))))
return 0;
/*
* If we are in kernel mode at this point, we have no context to
* handle this fault with.
*/
if (!user_mode(regs))
goto no_context;
if (fault & VM_FAULT_OOM) {
/*
* We ran out of memory, call the OOM killer, and return to
* userspace (which will retry the fault, or kill us if we got
* oom-killed).
*/
pagefault_out_of_memory();
return 0;
}
if (fault & VM_FAULT_SIGBUS) {
/*
* We had some memory, but were unable to successfully fix up
* this page fault.
*/
sig = SIGBUS;
code = BUS_ADRERR;
} else {
/*
* Something tried to access memory that isn't in our memory
* map.
*/
sig = SIGSEGV;
code = fault == VM_FAULT_BADACCESS ?
SEGV_ACCERR : SEGV_MAPERR;
}
__do_user_fault(tsk, addr, esr, sig, code, regs); //在使用者程序上下文中發現地址無法被對映，比如地址0,那麼就會執行到此處，do user fault
return 0;
no_context: //沒有程序上下文的情況會直接跳到此執行do kernel fault
__do_kernel_fault(mm, addr, esr, regs);
return 0;
}此函式的中間部分都是進行缺頁異常的處理，比如重新建立頁表，從夥伴系統分配記憶體等等，我們暫且不去進一步分析。只看最後出現異常的情況，異常分兩種，一種是有使用者上下文，一種沒有使用者上下文，分別會去執行__do_user_fault和__do_kernel_fault。這不就是和我們前面的描述，兩種訪問0地址的方式場景匹配了嘛。
/*
* Something tried to access memory that isn't in our memory map. User mode
* accesses just cause a SIGSEGV
*/
static void __do_user_fault(struct task_struct *tsk, unsigned long addr,
unsigned int esr, unsigned int sig, int code,
struct pt_regs *regs)
{
struct siginfo si;
const struct fault_info *inf;
trace_user_fault(tsk, addr, esr);
if (unhandled_signal(tsk, sig) && show_unhandled_signals_ratelimited()) {
inf = esr_to_fault_info(esr);
pr_info("%s[%d]: unhandled %s (%d) at 0x%08lx, esr 0x%03x\n",
tsk->comm, task_pid_nr(tsk), inf->name, sig,
addr, esr);
show_pte(tsk->mm, addr);
show_regs(regs);
}
tsk->thread.fault_address = addr;
tsk->thread.fault_code = esr;
si.si_signo = sig;
si.si_errno = 0;
si.si_code = code;
si.si_addr = (void __user *)addr;
force_sig_info(sig, &si, tsk);
}/*
* The kernel tried to access some page that wasn't present.
*/
static void __do_kernel_fault(struct mm_struct *mm, unsigned long addr,
unsigned int esr, struct pt_regs *regs)
{
/*
* Are we prepared to handle this kernel fault?
* We are almost certainly not prepared to handle instruction faults.
*/
if (!is_el1_instruction_abort(esr) && fixup_exception(regs))
return;
/*
* No handler, we'll have to terminate things with extreme prejudice.
*/
bust_spinlocks(1);
pr_alert("Unable to handle kernel %s at virtual address %08lx\n",
(addr < PAGE_SIZE) ? "NULL pointer dereference" :
"paging request", addr);
show_pte(mm, addr);
die("Oops", regs, esr);
bust_spinlocks(0);
do_exit(SIGKILL);
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