进程地址空间的隔离 是现代操作系统的一个显著特征。这也是区别于 “古代”操作系统 的显著特征。
进程地址空间隔离意味着进程P1无法以随意的方式访问进程P2的内存,除非这块内存被声明是共享的。
这非常容易理解,我举个例子。
我们知道,在原始野人社会,是没有家庭的观念的,所有的资源都是部落内共享的,所有的野人都可以以任意的方式在任意时间和任何其他野人交互。类似Dos这样的操作系统就是这样的,内存地址空间并没有隔离。进程可以随意访问其它进程的内存。
后来有了家庭的观念,家庭的资源被隔离,人们便不能私闯民宅了,人们无法以随意的方式进入别人的家用别人的东西,除非这是主人允许的。操作系统进入现代模式后,进程也有了类似家庭的概念。
但家庭的概念是虚拟的,人们只是遵守约定而不去破坏别人的家庭。房子作为一个物理基础设施,保护着家庭。在操作系统中,家庭类似于虚拟地址空间,而房子就是页表。
邻居不能闯入你的房子,但警察可以,政府公务人员以合理的理由也可以。所谓的特权管理机构只要理由充分,就可以进入普通人家的房子,touch这家人的东西。对于操作系统而言,这就是内核可以做的事,内核可以访问任意进程的地址空间。
当然了,内核并不会无故私闯民宅,就像警察不会随意闯入别人家里一样。
但是,你可以让内核故意这么做,做点无赖的事情。
我们来试一下,先看一个程序:
// test.c
// gcc test.c -o test
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
int main()
{
char* addr = mmap(NULL, 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
strcpy(addr, "Zhejiang wenzhou pixie shi");
printf("addr: %lu pid:%d\n", addr, getpid());
printf("before:%s \n", addr);
getchar();
printf("after:%s\n", addr);
return 0;
}
这个程序的输出非常简单,before和after都会输出 “Zhejiang wenzhou pixie shi”,但是我们想把这句话给改了,怎么办呢?显然,test进程如果自己不改它,那就没辙…但是可以让内核强制改啊,让内核私闯民宅就是了。
接下来我写一个内核模块:
// test.c
// make -C /lib/modules/`uname -r`/build SUBDIRS=`pwd` modules
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/module.h>
static int pid = 1;
module_param(pid, int, 0644);
static unsigned long addr = 0;
module_param(addr, long, 0644);
// 根据一个进程的虚拟地址找到它的页表,相当于找到这家人的房子地址,然后闯入!
static pte_t* get_pte(struct task_struct *task, unsigned long address)
{
pgd_t* pgd;
pud_t* pud;
pmd_t* pmd;
pte_t* pte;
struct mm_struct *mm = task->mm;
pgd = pgd_offset(mm, address);
if(pgd_none(*pgd) || pgd_bad(*pgd))
return NULL;
pud = pud_offset(pgd, address);
if(pud_none(*pud) || pud_bad(*pud))
return NULL;
pmd = pmd_offset(pud, address);
if(pmd_none(*pmd) || pmd_bad(*pmd))
return NULL;
pte = pte_offset_kernel(pmd, address);
if(pte_none(*pte))
return NULL;
return pte;
}
static int test_init(void)
{
struct task_struct *task;
pte_t* pte;
struct page* page;
// 找到这家人
task = pid_task(find_pid_ns(pid, &init_pid_ns), PIDTYPE_PID);
// 找到这家人住在哪里
if(!(pte = get_pte(task, addr)))
return -1;
page = pte_page(*pte);
// 强行闯入
addr = page_address(page);
// sdajgdoiewhgikwnsviwgvwgvw
strcpy(addr, (char *)"rain flooding water will not get fat!");
// 事了拂衣去,深藏功与名
return 0;
}
static void test_exit(void)
{
}
module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
来来来,我们来试一下:
[root@10 page_replace]# ./test
addr: 140338535763968 pid:9912
before:Zhejiang wenzhou pixie shi
此时,我们加载内核模块test.ko
[root@10 test]# insmod test.ko pid=9912 addr=140338535763968
[root@10 test]#
在test进程拍入回车:
[root@10 page_replace]# ./test
addr: 140338535763968 pid:9912
before:Zhejiang wenzhou pixie shi
after:rain flooding water will not get fat!
[root@10 page_replace]#
显然,“浙江温州皮鞋湿”被改成了“下雨进水不会胖”。
仔细看上面那个内核模块的 get_pte 函数,这个函数要想写对,你必须对你想蹂躏的进程所在的机器的MMU有一定的了解,比如是32位系统还是64位系统,是3级页表还是4级页表或者5级?这…
Linux的可玩性在于你可以自己动手,又可以让人代劳。比如,获取一个进程的虚拟地址的页表项指示的物理页面,就可以直接得到。
有这样的API吗?有啊,别忘了一切皆文件,恰好在proc文件系统中,就有这么一个文件:
/proc/$pid/pagemap
读取这个文件,得到的就是进程虚拟地址的页表项,下图截自内核Doc:
Documentation/vm/pagemap.txt
虚拟地址空间是每进程的,而物理地址空间则是所有进程共享的。换句话说,物理地址是全局的。
现在,根据Documentation/vm/pagemap.txt的解释,写一个程序,获取任意进程任意虚拟地址的全局物理地址:
// getphys.c
// gcc getphys -o getphys
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
int pid;
unsigned long pte;
unsigned long addr;
unsigned long phy_addr;
char procbuf[64] = {0};
pid = atoi(argv[1]);
addr = atol(argv[2]);
sprintf(procbuf, "/proc/%d/pagemap", pid);
fd = open(procbuf, O_RDONLY);
size_t offset = (addr/4096) * sizeof(unsigned long);
lseek(fd, offset, SEEK_SET);
read(fd, &pte, sizeof(unsigned long));
phy_addr = (pte & ((((unsigned long)1) << 55) - 1))*4096 + addr%4096;
printf("phy addr:%lu\n", phy_addr);
return 0;
}
随后,我们修改内核模块:
#include <linux/module.h>
static unsigned long addr = 0;
module_param(addr, long, 0644);
static int test_init(void)
{
strcpy(phys_to_virt(addr), (char *)"rain flooding water will not get fat!");
return 0;
}
static void test_exit(void)
{
}
module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
先运行test,然后根据test的输出作为getphys的输入,再根据getphys的输出作为内核模块test.ko的输入,就成了。还记得吗?这不就是管道连接多个程序的风格吗?
输入一个物理地址,然后把它改了,仅此而已。通过虚拟地址获取页表的操作已经由用户态的pagemap文件的读取并解析代劳了。
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