Linux内核模块编程小例子之查看虚拟内存VMA(virtual memory areas）信息

前言：
在 32 位的系统上，线性地址空间为 4GB，其中用户进程占有 3GB 线性地址空间，内核占有 1GB 线性地址空间。由于虚拟内存的引入，使的每个进程都可拥有 3GB 的虚拟内存。
用户进程的虚拟地址空间包含若干区域，这些区域的分布方式因体系结构的差异而不同，但所有的方式都包含下列成分：
（1）代码段：可执行文件的二进制代码
（2）数据段：存储全局变量
（3）栈：用于保存局部变量和实现函数调用
（4）环境变量和命令行参数
（5）程序使用的动态库的代码
（6）用于映射文件内容的区域为便于描述，系统中进程的虚拟内存空间被划分为若干不同的区域，每个区域都有其相关的属性和用途，一个合法的地址总是落在某个区域当中的，这些区域也不会重叠。在 Linux 内核中，这样的区域被称为虚拟内存区域(virtual memory areas，VMA)。一个 VMA 是一块连续的线性地址空间的抽象，它拥有自身的权限(可读，可写，可执行等) ，对进程而言，VMA 其实是虚拟空间的内存块，一个进程的所有资源由多个内存块组成。
每一个虚拟内存区域都由一个相关的 struct vm_area_struct 结构来描述。
本文将编写一个内核模块，通过此内核模块遍历一个用户进程中所有的 VMA，并且打印这些 VMA 的属性信息，如 VMA 的大小、起始地址等，并通过与“/proc/pid/maps”中显示的信息进行对比验证 VMA 信息是否正确。

本文所使用的环境：

操作系统：4.15.0-96-generic #97-Ubuntu SMP Wed Apr 1 03:25:46 UTC 2020 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
gcc: 7.5.0
make:GNU Make 4.1

编写模块程序
参考代码如下，代码文件命名为“vma_test.c”

//vma_test.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>

static int pid;
module_param(pid, int, 0644);

static void printit(struct task_struct *tsk)
{
  struct mm_struct *mm;
  struct vm_area_struct *vma;
  int j = 0;
  unsigned long start, end, length;

  mm = tsk->mm;
  pr_info("mm_struct addr = 0x%p\n", mm);
  vma = mm->mmap;

  /* 使用 mmap_sem 读写信号量进行保护 */
  down_read(&mm->mmap_sem);
  pr_info("vmas: vma start end length\n");

  while (vma) {
      j++;
      start = vma->vm_start;
      end = vma->vm_end;
      length = end - start;
      pr_info("%6d: %16p %12lx %12lx %8ld\n",
          j, vma, start, end, length);
      vma = vma->vm_next;
  }
  up_read(&mm->mmap_sem);
}

static int __init vma_init(void)
{
  struct task_struct *tsk;
  /* 如果插入模块时未定义 pid 号，则使用当前 pid */
  if (pid == 0) {
      tsk = current;
      pid = current->pid;
      pr_info("using current process\n");
  } else {
      tsk = pid_task(find_vpid(pid), PIDTYPE_PID);
  }
  if (!tsk)
      return -1;
  pr_info(" Examining vma's for pid=%d, command=%s\n", pid, tsk->comm);
  printit(tsk);
  return 0;
}

static void __exit vma_exit(void)
{
  pr_info("Module exit\n");
}

module_init(vma_init);
module_exit(vma_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Mr Yu");
MODULE_DESCRIPTION("vma test");

以上代码中:
38-52 行是内核模块初始化函数 vma_init；
40-46 行目的是获取 pid，可在加载模块时可传递相关参数（即进程 pid）；如果没有传递参数，则使用当前进程，即执行 insmod 命令的进程；
45 行 pid_task()函数为获取任务的任务描述符信息，其返回值是 struct task_struct 结构体类型的变量；
50 行调用自定义的 printit()函数打印相关信息；
9-34 行是本实验核心函数；
16 行获取待检查进程的内存描述符 struct mm_struct 数据结构，该结构由struct task_struct 中的*mm 指向；
18 行获取 VMA 链表头，即 mm->mmap；
21 行开始遍历 VMA 链表,down_read()函数用于申请读信号量，因本程序只是读取 VMA 链表，所以申请读者类型即可，若需丢 VMA 链表进行修改，则需申请写者类型信号量；
24-32 行遍历 VMA 链表，并对每个 VMA 打印其起始地址、终止地址和长度信
息；
33 行释放读者信号量。

编译内核模块

编写 Makefile 文件，文件名必须为“Makefile”

obj-m := vma_test.o

KERNELBUILD := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
CURRENT_PATH := $(shell pwd)

all:
	make -C $(KERNELBUILD) M=$(CURRENT_PATH) modules

clean:
	make -C $(KERNELBUILD) M=$(CURRENT_PATH) clean

编译
使用 make 命令编译即可。
插入模块
先通过 top 命令查看进程，任意获取一个进程 pid，如图所示，本例中获取apache2 进程的 pid 3509。
使用 insmod 插入模块，并传参。如图所示，本例中模块名为“vma_test.ko”,pid 为 3509，则插入模块命令为：

insmod vma_test.ko pid=3509

查看程序打印信息
通过 dmesg 命令查看 VMA 信息。如下图所示:

从上图可看到 apache2 进程包含许多 VMA 区域，以第一个 VMA 区域为例，其起始地址为 0x564af2e3a000,结束地址为 564af2ed7000,长度为 643072 字节。

如下图所示为从 proc 虚拟文件系统中查看相应进程第一个 VMA 的完整信息。

从以上两图中内容对比可知，本程序输出信息正确。

编写模块程序

编译内核模块

编译

插入模块

查看程序打印信息