LDD3源码分析之访问控制

作者：刘昊昱

博客：http://blog.csdn.net/liuhaoyutz

编译环境：Ubuntu 10.10

内核版本：2.6.32-38-generic-pae

LDD3源码路径：examples/scull/ access.c examples/scull/main.c

一、访问控制设备的注册

本文分析LDD3第6章介绍的设备文件访问控制的实现，涉及的代码主要在access.c文件中，但是作为分析的起点，我们还是要看一下main.c文件中的scull_init_module函数，在该函数中，有如下语句：

[cpp] view plaincopy

657 dev = MKDEV(scull_major, scull_minor + scull_nr_devs);
658 dev += scull_p_init(dev);
659 dev += scull_access_init(dev);

657行，scull_major和scull_minor的默认值都是0，scull_nr_devs的默认值是4。dev变量在618行定义，它是dev_t类型，注意dev_t类型用来保存设备编号，包括主设备号和次设备号。所以，657行，我们通过MKDEV宏得到一个主设备号为0，次设备号为4的设备编号保存在dev中。这里之所以让次设备号为4，是因为前面已经注册了scull0 - scull3，它们的主设备号均为系统动态分配值，次设备号分别是0，1，2，3。

658行，调用了pipe.c文件中的scull_p_init函数，我们在前面的《LDD3源码分析之阻塞型I/O》一文中对这个函数进行了分析，它创建了scullpipe0 - scullpipe3四个设备，对应的主设备号是系统动态分配值，次设备号为4，5，6，7。而scull_p_init函数的返回值是4，所以658行把dev的值再加4，然后传递给659行的scull_access_init函数。

659行，调用scull_access_init函数，这个函数就是我们今天要分析的起点，在access.c文件中定义，下面看这个函数的代码：

[cpp] view plaincopy

366int scull_access_init(dev_t firstdev)
367{
368 int result, i;
369
370 /* Get our number space */
371 result = register_chrdev_region (firstdev, SCULL_N_ADEVS, "sculla");
372 if (result < 0) {
373 printk(KERN_WARNING "sculla: device number registration failed\n");
374 return 0;
375 }
376 scull_a_firstdev = firstdev;
377
378 /* Set up each device. */
379 for (i = 0; i < SCULL_N_ADEVS; i++)
380 scull_access_setup (firstdev + i, scull_access_devs + i);
381 return SCULL_N_ADEVS;
382}

371行注册访问控制相关设备的设备号，起始设备号是由参数传递进来的，注册的设备编号的个数是SCULL_N_ADEVS，它的值是4。

376行，保存第一个设备的设备编号。

379 - 380行，调用scull_access_setup函数，循环初始化4个访问控制相关设备。注意传递给scull_access_setup函数的第二个参数是scull_access_devs + i，先看一下scull_access_devs的定义：

[cpp] view plaincopy

327static struct scull_adev_info {
328 char *name;
329 struct scull_dev *sculldev;
330 struct file_operations *fops;
331} scull_access_devs[] = {
332 { "scullsingle", &scull_s_device, &scull_sngl_fops },
333 { "sculluid", &scull_u_device, &scull_user_fops },
334 { "scullwuid", &scull_w_device, &scull_wusr_fops },
335 { "sullpriv", &scull_c_device, &scull_priv_fops }
336};

可见，scull_access_devs是一个scull_adev_info结构体数组，该结构体代表一个访问控制设备，scull_adev_info有3个成员，第一个代表设备名，第二个是第3章中介绍的scull设备，第三个是对于这个访问控制设备的操作函数集。

scull_access_devs数组定义了4个访问控制设备，这4个设备使用不同的访问控制策略。第一个设备叫scullsingle，对应的”bare scull device”是scull_s_device,定义在49行，对应的操作函数集是scull_sngl_fops，定义在78行：

[cpp] view plaincopy

49static struct scull_dev scull_s_device;

[cpp] view plaincopy

78struct file_operations scull_sngl_fops = {
79 .owner = THIS_MODULE,
80 .llseek = scull_llseek,
81 .read = scull_read,
82 .write = scull_write,
83 .ioctl = scull_ioctl,
84 .open = scull_s_open,
85 .release = scull_s_release,
86};

其它三个设备分别是sculluid、scullwuid、sullpriv，它们对应的”bare scull device”和操作函数集也都是在access.c中定义，这里不一一列出了，后面分析相应设备时再详细介绍。由上面的内容可以看出，访问控制设备的实现是建立在”bare scull device”的基础上的，很多代码都是与”bare scull device”复用的。

下面看scull_access_setup函数的定义：

[cpp] view plaincopy

339/*
340 * Set up a single device.
341 */
342static void scull_access_setup (dev_t devno, struct scull_adev_info *devinfo)
343{
344 struct scull_dev *dev = devinfo->sculldev;
345 int err;
346
347 /* Initialize the device structure */
348 dev->quantum = scull_quantum;
349 dev->qset = scull_qset;
350 init_MUTEX(&dev->sem);
351
352 /* Do the cdev stuff. */
353 cdev_init(&dev->cdev, devinfo->fops);
354 kobject_set_name(&dev->cdev.kobj, devinfo->name);
355 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
356 err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1);
357 /* Fail gracefully if need be */
358 if (err) {
359 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding %s\n", err, devinfo->name);
360 kobject_put(&dev->cdev.kobj);
361 } else
362 printk(KERN_NOTICE "%s registered at %x\n", devinfo->name, devno);
363}

348 - 353行，和第三章中初始化scull设备一样，分别初始化了量子数，量子集数，信号量和cdev成员。353行还将字符设备关联了相应的文件操作函数集。

354行，注册了sys系统中的名字。

356行，将字符设备注册到系统中，完成注册。

这样，就完成了对字符设备的初始化和注册，现在我们有了4个采用不同访问控制策略的设备，分别是scullsingle、sculluid、scullwuid和scullpriv。

为了对这个4设备的访问控制策略进行测试，我编写了一个简单的测试程序access_control.c，其代码如下：

[cpp] view plaincopy

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#define BUF_SIZE 50
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
int num, n;
char buf[BUF_SIZE];
fd = open(argv[1], O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("open scull error!\n");
return -1;
}
n = 0;
while(n < 10)
{
lseek(fd, 0, SEEK_SET);
memset(buf, 0, BUF_SIZE);
num = read(fd, buf, BUF_SIZE);
if( num > 0)
{
buf[num] = 0;
printf("%s\n", buf);
}
sleep(2);
n++;
}
return 0;
}

后面将使用这个测试程序对不同的设备进行测试。

二、独享设备

这种访问控制一次只允许一个进程访问设备，最好避免使用这种技术，因为它限制了用户的灵活性。scullsingle设备实现了独享设备的策略，其主要代码如下：

[cpp] view plaincopy

49static struct scull_dev scull_s_device;
50static atomic_t scull_s_available = ATOMIC_INIT(1);
51
52static int scull_s_open(struct inode *inode, struct file *filp)
53{
54 struct scull_dev *dev = &scull_s_device; /* device information */
55
56 if (! atomic_dec_and_test (&scull_s_available)) {
57 atomic_inc(&scull_s_available);
58 return -EBUSY; /* already open */
59 }
60
61 /* then, everything else is copied from the bare scull device */
62 if ( (filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY)
63 scull_trim(dev);
64 filp->private_data = dev;
65 return 0; /* success */
66}
67
68static int scull_s_release(struct inode *inode, struct file *filp)
69{
70 atomic_inc(&scull_s_available); /* release the device */
71 return 0;
2}
73
74
75/*
76 * The other operations for the single-open device come from the bare device
77 */
78struct file_operations scull_sngl_fops = {
79 .owner = THIS_MODULE,
80 .llseek = scull_llseek,
81 .read = scull_read,
82 .write = scull_write,
83 .ioctl = scull_ioctl,
84 .open = scull_s_open,
85 .release = scull_s_release,
86};

49行定义了scullsingle设备对应的”bare scull device” scull_s_device。

50行定义了一个原子变量(atomic_t)scull_s_available，其初始值为1，表明设备可用。如果其值为0，表明设备不可用。

56 - 59行，对原子变量scull_s_available执行atomic_dec_and_test操作，该函数将原子变量减1并测试其值是否为0，如果为0，返回TRUE，说明没有进程在使用设备，可以独享使用了。如果测试返回FALSE，说明有进程正在使用设备，将原子变量加1后，返回-EBUSY退出。

68 - 72行，定义了scull_s_release函数，该函数在进程关闭设备文件时调用，其作用是将原子变量scull_s_available的值加1，表示释放设备。

78 - 86行，定义了scullsingle设备的操作函数集，可以看到，除了open和release函数外，其他函数都是复用的scull设备的操作函数。

这样，通过加入一个原子变量，并在open函数中对其值进行判断，就能达到独享设备的目的了。

注意：通常应该把scull_s_available变量放在设备结构中(这里是scull_dev结构)，因为从概念上讲它本身属于设备。但是scullsingle设备的实现是把scull_s_available定义为一个全局变量，这样做是为了与scull复用代码。

使用测试程序access_control.c测试scullsingle设备的过程如下图所示：

因为access_control进程会占用scullsingle设备20秒，从上图可以看出，在access_control执行的这20秒内，另外一个进程即echo试图操作(这里是写)scullsingle设备会返回设备正忙的错误信息，这说明，scullsingle设备同时只能被一个进程访问。如下图所示，当access_control退出后，echo进程就可以操作scullsingle设备了：

三、限制每次只由一个用户访问

这种访问策略允许一个用户的多个进程同时访问设备，但是不允许多个用户同时访问设备。与独享设备的策略相比，这种方法更加灵活。此时需要增加两个数据项，一个打开计数器和一个设备属主UID。同样，这两个数据项最好保存在设备结构体内部，但是为了与scull复用代码，在实现时我们把这两个变量定义为全局变量。

使用这种策略实现的设备叫sculluid，其主要代码如下：

[cpp] view plaincopy

95static struct scull_dev scull_u_device;
96static int scull_u_count; /* initialized to 0 by default */
97static uid_t scull_u_owner; /* initialized to 0 by default */
98static spinlock_t scull_u_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
99
100static int scull_u_open(struct inode *inode, struct file *filp)
101{
102 struct scull_dev *dev = &scull_u_device; /* device information */
103
104 spin_lock(&scull_u_lock);
105 if (scull_u_count &&
106 (scull_u_owner != current->uid) && /* allow user */
107 (scull_u_owner != current->euid) && /* allow whoever did su */
108 !capable(CAP_DAC_OVERRIDE)) { /* still allow root */
109 spin_unlock(&scull_u_lock);
110 return -EBUSY; /* -EPERM would confuse the user */
111 }
112
113 if (scull_u_count == 0)
114 scull_u_owner = current->uid; /* grab it */
115
116 scull_u_count++;
117 spin_unlock(&scull_u_lock);
118
119/* then, everything else is copied from the bare scull device */
120
121 if ((filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY)
122 scull_trim(dev);
123 filp->private_data = dev;
124 return 0; /* success */
125}
126
127static int scull_u_release(struct inode *inode, struct file *filp)
128{
129 spin_lock(&scull_u_lock);
130 scull_u_count--; /* nothing else */
131 spin_unlock(&scull_u_lock);
132 return 0;
133}
134
135
136
137/*
138 * The other operations for the device come from the bare device
139 */
140struct file_operations scull_user_fops = {
141 .owner = THIS_MODULE,
142 .llseek = scull_llseek,
143 .read = scull_read,
144 .write = scull_write,
145 .ioctl = scull_ioctl,
146 .open = scull_u_open,
147 .release = scull_u_release,
148};

95行定义了设备结构体scull_u_device。

96行定义了访问计数器变量scull_u_count，该变量用来保存正在访问设备的进程数。

97行定义了uid_t变量scull_u_owner，用来保存正在访问设备的用户UID。

105 - 111行，如果不是当前进程不是第一个访问设备的进程，并且当前进程的uid或euid不等于scull_u_owner变量的值，并且不是root权限用户，则返回-EBUSY退出。表明有另外一个用户正在访问设备。

113 - 114行，如果是第一个访问设备的进程，则将进程的UID保存在scull_u_owner。

116行，将访问计数器值加1。

127 - 133行，scull_u_release函数在关闭设备文件时调用，其作用是将访问计数器值减1。

140 - 148行，定义了sculluid的设备操作函数集，可以看到，除了open和release函数，其它函数都是与scull复用的。

使用accell_control测试sculluid设备的过程如下图所示：

由上图操作过程可以看出，同一用户在两个终端下可以同时对sculluid设备进行操作。不同用户对sculluid同时进行操作是否可以呢？如下图所示：

由上图可以看出，不同用户，不能同时对sculluid进行操作。

另外，一个用普通用户，一个用root用户，能不能同时操作sculluid呢？大家可以自己试验一下。

四、阻塞型open

上面两种访问控制方法当设备不能访问时，都是返回-EBUSY退出，但是有些情况下，可能需要让进程阻塞等待，这时就需要实现阻塞型open。

scullwuid设备实现了阻塞型open，其主要代码如下：

[cpp] view plaincopy

156static struct scull_dev scull_w_device;
157static int scull_w_count; /* initialized to 0 by default */
158static uid_t scull_w_owner; /* initialized to 0 by default */
159static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(scull_w_wait);
160static spinlock_t scull_w_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
161
162static inline int scull_w_available(void)
163{
164 return scull_w_count == 0 ||
165 scull_w_owner == current->uid ||
166 scull_w_owner == current->euid ||
167 capable(CAP_DAC_OVERRIDE);
168}
169
170
171static int scull_w_open(struct inode *inode, struct file *filp)
172{
173 struct scull_dev *dev = &scull_w_device; /* device information */
174
175 spin_lock(&scull_w_lock);
176 while (! scull_w_available()) {
177 spin_unlock(&scull_w_lock);
178 if (filp->f_flags & O_NONBLOCK) return -EAGAIN;
179 if (wait_event_interruptible (scull_w_wait, scull_w_available()))
180 return -ERESTARTSYS; /* tell the fs layer to handle it */
181 spin_lock(&scull_w_lock);
182 }
183 if (scull_w_count == 0)
184 scull_w_owner = current->uid; /* grab it */
185 scull_w_count++;
186 spin_unlock(&scull_w_lock);
187
188 /* then, everything else is copied from the bare scull device */
189 if ((filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY)
190 scull_trim(dev);
191 filp->private_data = dev;
192 return 0; /* success */
193}
194
195static int scull_w_release(struct inode *inode, struct file *filp)
196{
197 int temp;
198
199 spin_lock(&scull_w_lock);
200 scull_w_count--;
201 temp = scull_w_count;
202 spin_unlock(&scull_w_lock);
203
204 if (temp == 0)
205 wake_up_interruptible_sync(&scull_w_wait); /* awake other uid's */
206 return 0;
207}
208
209
210/*
211 * The other operations for the device come from the bare device
212 */
213struct file_operations scull_wusr_fops = {
214 .owner = THIS_MODULE,
215 .llseek = scull_llseek,
216 .read = scull_read,
217 .write = scull_write,
218 .ioctl = scull_ioctl,
219 .open = scull_w_open,
220 .release = scull_w_release,
221};

159行定义了一个等待队列scull_w_wait。

176 - 182行，判断能否访问设备的方法与sculluid相同，但是，如果不能访问设备，阻塞在scull_w_wait上等待而不是返回-EBUSY退出。

195 - 207行，scull_w_release函数在关闭设备文件时调用，它将使用计数器值减1，如果使用计数为0，则唤醒在等待队列scull_w_wait中阻塞等待的进程。

213 - 221行，定义scullwuid的文件操作函数集，除了open和release函数外，其它的函数都是与scull复用代码。

使用access_control测试scullwuid设备的过程如下图所示。注意，测试必须使用两个不同的普通用户进行。

由上图可以看出，当一个用户在操作scullwuid时，另一个用户的如果要打开scullwuid设备会被阻塞住。而当前一个用户操作完成了，被阻塞用户会解除阻塞，继续执行，如下图所示：

五、打开时clone设备

另一个实现访问控制的方法是，在进程打开设备时clone一个设备给进程使用。使用这种控制策略实现的设备是scullpriv，它使用当前进程控制终端的设备号作为访问虚拟设备的键值，也可以使用任意整数值做为键值，但是不同的键值将导致不同的访问策略。例如，使用uid作为键值，则会给每个用户clone一个设备。使用pid作为键值，则会给每个进程clone一个设备。所以，对于scullpriv，不同终端上的进程会有不同的clone设备。

下面是scullpriv的主要实现代码：

[cpp] view plaincopy

229/* The clone-specific data structure includes a key field */
230
231struct scull_listitem {
232 struct scull_dev device;
233 dev_t key;
234 struct list_head list;
235
236};
237
238/* The list of devices, and a lock to protect it */
239static LIST_HEAD(scull_c_list);
240static spinlock_t scull_c_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
241
242/* A placeholder scull_dev which really just holds the cdev stuff. */
243static struct scull_dev scull_c_device;
244
245/* Look for a device or create one if missing */
246static struct scull_dev *scull_c_lookfor_device(dev_t key)
247{
248 struct scull_listitem *lptr;
249
250 list_for_each_entry(lptr, &scull_c_list, list) {
251 if (lptr->key == key)
252 return &(lptr->device);
253 }
254
255 /* not found */
256 lptr = kmalloc(sizeof(struct scull_listitem), GFP_KERNEL);
257 if (!lptr)
258 return NULL;
259
260 /* initialize the device */
261 memset(lptr, 0, sizeof(struct scull_listitem));
262 lptr->key = key;
263 scull_trim(&(lptr->device)); /* initialize it */
264 init_MUTEX(&(lptr->device.sem));
265
266 /* place it in the list */
267 list_add(&lptr->list, &scull_c_list);
268
269 return &(lptr->device);
270}
271
272static int scull_c_open(struct inode *inode, struct file *filp)
273{
274 struct scull_dev *dev;
275 dev_t key;
276
277 if (!current->signal->tty) {
278 PDEBUG("Process \"%s\" has no ctl tty\n", current->comm);
279 return -EINVAL;
280 }
281 key = tty_devnum(current->signal->tty);
282
283 /* look for a scullc device in the list */
284 spin_lock(&scull_c_lock);
285 dev = scull_c_lookfor_device(key);
286 spin_unlock(&scull_c_lock);
287
288 if (!dev)
289 return -ENOMEM;
290
291 /* then, everything else is copied from the bare scull device */
292 if ( (filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY)
293 scull_trim(dev);
294 filp->private_data = dev;
295 return 0; /* success */
296}
297
298static int scull_c_release(struct inode *inode, struct file *filp)
299{
300 /*
301 * Nothing to do, because the device is persistent.
302 * A `real' cloned device should be freed on last close
303 */
304 return 0;
305}
306
307
308
309/*
310 * The other operations for the device come from the bare device
311 */
312struct file_operations scull_priv_fops = {
313 .owner = THIS_MODULE,
314 .llseek = scull_llseek,
315 .read = scull_read,
316 .write = scull_write,
317 .ioctl = scull_ioctl,
318 .open = scull_c_open,
319 .release = scull_c_release,
320};

我们从272scull_c_open函数开始分析。

277行，current->signal->tty代表当前进程的控制终端，如果当前进程没有控制终端，则退出。

281行，通过tty_devnum函数，取得当前进程控制终端的设备号，赋值给key。

285行，调用scull_c_lookfor_device(key)查找设备，如果没有，在scull_c_lookfor_device函数中会创建一个。注意，传递给scull_c_lookfor_device的参数是key。

下面看scull_c_lookfor_device函数的实现：

250 - 253行，遍历链表scull_c_list，如果有链表项的key值等于参数传递进来的key值，则说明已经为该控制终端clone过设备，则直接返回对应的设备结构。

256行，如果在scull_c_list链表中没有查找到对应key的节点，说明是第一次在该控制终端上打开设备，则为链表节点scull_listitem分配内存空间。

261 - 264行，初始化链表节点结构体。

267行，将链表节点加入到scull_c_list链表中。

269行，返回找到或新创建的scull_dev结构体。

298 - 305行，release函数不做任何事，因为scullpriv是永久存在的，如果是一个真正的clone设备，应该在最后一次关闭后释放空间。

312 - 320行，定义了设备文件操作函数集，除了open和release函数外，其它函数都是利用的scull的代码。

使用access_control测试scullpriv设备的过程如下图所示：

由上图可以看出，两个终端下的进程可以同时操作scullpriv，并且相互没有影响。因为两个终端操作的是两个不同的scullpriv的clone版本。

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