Linux arm64 set_memory_ro/rw函数

在 Linux 内核 中，set_memory_ro 和 set_memory_rw 是两个用于设置内存区域访问权限的重要函数。它们主要用于内核代码和驱动程序中，以实现内存保护和增强系统安全性。本文将详细介绍这两个函数的作用、使用方法及其在内核中的应用场景，并探讨其潜在的安全风险。🔒💻

📌 1. 基本概念

1.1 内存访问权限

在操作系统中，内存区域的访问权限决定了哪些操作可以在该区域执行。常见的权限包括：

只读（Read-Only）：只能读取数据，不能修改。
读写（Read-Write）：可以读取和修改数据。

1.2 set_memory_ro 和 set_memory_rw 函数

set_memory_ro：将指定的内存区域设置为只读。
set_memory_rw：将指定的内存区域设置为 可读写。

这两个函数通过修改内存页的权限，来控制对内存区域的访问。

🛠️ 2. 函数定义与参数解析

2.1 set_memory_ro

int set_memory_ro(unsigned long addr, int numpages);

addr：需要设置为只读的内存区域的起始地址。
numpages：从起始地址开始，设置为只读的页数。
返回值：成功返回 0，失败返回负的错误码。

2.2 set_memory_rw

int set_memory_rw(unsigned long addr, int numpages);

addr：需要设置为可读写的内存区域的起始地址。
numpages：从起始地址开始，设置为可读写的页数。
返回值：成功返回 0，失败返回负的错误码。

🔍 3. 使用场景

3.1 内核代码保护

在内核中，关键代码区域通常需要防止被意外或恶意修改。通过将这些区域设置为只读，可以有效防止内存篡改攻击。例如：

unsigned long code_start = (unsigned long)__start_of_kernel_code;
int pages = calculate_pages(__end_of_kernel_code - __start_of_kernel_code);

if (set_memory_ro(code_start, pages) != 0) {
    printk(KERN_ERR "Failed to set memory as read-only\n");
}

3.2 驱动程序更新

驱动程序在运行时可能需要更新其代码或数据。此时，可以临时将内存区域设置为 可读写，完成更新后再设置回只读，以保证更新过程的安全性。

unsigned long driver_code = (unsigned long)__start_of_driver_code;
int pages = calculate_pages(__end_of_driver_code - __start_of_driver_code);

// 设置为可读写
if (set_memory_rw(driver_code, pages) != 0) {
    printk(KERN_ERR "Failed to set memory as read-write\n");
}

// 更新驱动代码...

// 设置回只读
if (set_memory_ro(driver_code, pages) != 0) {
    printk(KERN_ERR "Failed to set memory as read-only\n");
}

📊 4. 功能对比表

函数名	功能描述	主要用途
`set_memory_ro`	设置内存区域为只读	保护关键内核代码，防止篡改
`set_memory_rw`	设置内存区域为可读写	临时修改内核或驱动程序代码

🧩 5. 内存权限设置的原理

内存权限的设置依赖于 分页机制，通过修改页表项中的权限位来实现。具体步骤如下：

获取页表项：通过虚拟地址 addr 获取对应的页表项。
修改权限位：根据需要设置为只读或可读写，修改页表项中的相应权限位。
刷新缓存：确保修改后的权限立即生效，防止旧权限缓存导致的问题。

数学公式解释

权限修改可以抽象为以下关系：

[
\text{new\_permissions} =
\begin{cases}
\text{Read-Only} & \text{使用 set\_memory\_ro} \
\text{Read-Write} & \text{使用 set\_memory\_rw}
\end{cases}
]

其中，new_permissions 决定了后续对该内存区域的访问行为。

📈 6. 工作流程图

以下是使用 set_memory_ro 和 set_memory_rw 的典型工作流程：

graph TD
    A[开始] --> B[确定内存区域地址和页数]
    B --> C{设置权限为只读？}
    C -->|是| D[调用 set_memory_ro 函数]
    C -->|否| E[调用 set_memory_rw 函数]
    D --> F[检查返回值]
    E --> F
    F --> G{是否成功？}
    G -->|是| H[继续执行]
    G -->|否| I[处理错误]
    H --> J[结束]
    I --> J

🔒 7. 安全性与风险

7.1 优点

内存保护：防止关键内核代码被篡改，提高系统稳定性和安全性。
灵活性：允许在必要时临时修改内存区域，实现动态更新。

7.2 潜在风险

被恶意利用：恶意驱动可能滥用 set_memory_rw 修改其他内核代码，实现攻击。
权限误设置：不正确的权限设置可能导致系统不稳定或崩溃。

风险防范措施

严格权限管理：仅允许可信代码调用这些函数，防止恶意利用。
代码审计：定期审查内核和驱动代码，确保权限设置的正确性。
最小权限原则：尽量减少需要修改内存权限的代码路径，降低风险。

📝 8. 示例代码详解

8.1 设置内存为只读

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>

int make_memory_read_only(unsigned long addr, int numpages) {
    int ret = set_memory_ro(addr, numpages);
    if (ret != 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to set memory at 0x%lx to read-only\n", addr);
    } else {
        printk(KERN_INFO "Memory at 0x%lx set to read-only successfully\n", addr);
    }
    return ret;
}

解释说明：

引入头文件：<linux/mm.h> 提供了内存管理相关函数。
函数实现：
- 调用 set_memory_ro 设置内存为只读。
- 根据返回值打印日志，便于调试和错误排查。

8.2 设置内存为可读写

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>

int make_memory_read_write(unsigned long addr, int numpages) {
    int ret = set_memory_rw(addr, numpages);
    if (ret != 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to set memory at 0x%lx to read-write\n", addr);
    } else {
        printk(KERN_INFO "Memory at 0x%lx set to read-write successfully\n", addr);
    }
    return ret;
}

解释说明：

功能与 make_memory_read_only 类似，但设置内存为可读写。

🧠 9. 深入理解

9.1 内核态与用户态

set_memory_ro 和 set_memory_rw 函数只能在 内核态 下调用，普通的用户态程序无法访问。这确保了内存权限的设置只能由系统核心组件或具备特权的驱动完成，增强了系统的安全性。

9.2 与页表的关系

这两个函数通过操作页表项来改变内存权限。页表是虚拟内存管理的重要组成部分，负责将虚拟地址映射到物理地址，并控制访问权限。通过修改页表，内核可以动态地调整内存区域的访问权限。

🧩 10. 注意事项

内存地址对齐：传递给 set_memory_ro 和 set_memory_rw 的地址应当是页对齐的，否则可能导致权限设置失败。
页数计算：确保传递的 numpages 参数准确，避免设置过多或过少的页数，导致权限设置不完整。
错误处理：始终检查函数的返回值，及时处理可能的错误，防止系统进入不稳定状态。

📝 总结

set_memory_ro 和 set_memory_rw 是 Linux 内核 中用于控制内存区域访问权限的关键函数。通过合理使用这两个函数，可以有效地保护内核代码和数据，防止被意外或恶意篡改。然而，滥用这些函数也可能带来安全风险，因此在使用时必须严格控制权限设置的范围和对象，确保系统的稳定性与安全性。🔐✨

掌握这两个函数的使用方法和原理，对于内核开发者和驱动程序编写者来说，是提升系统安全性和稳定性的必要技能。通过本文的详细讲解，相信你对 set_memory_ro 和 set_memory_rw 有了更深入的理解和认识。