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linux 可執(zhí)行文件與寫操作的同步問(wèn)題(文件讀寫操作產(chǎn)生的鎖機(jī)制)

更新時(shí)間：2013年10月22日 09:55:50 作者：

在哪種系統(tǒng)下都會(huì)有文件操作產(chǎn)生的同步問(wèn)題，今天說(shuō)說(shuō)linux下讀寫文件的鎖機(jī)制。

當(dāng)一個(gè)可執(zhí)行文件已經(jīng)為write而open時(shí)，此時(shí)的可執(zhí)行文件是不允許被執(zhí)行的。反過(guò)來(lái)，一個(gè)文件正在執(zhí)行時(shí)，它也是不允許同時(shí)被write模式而open的。這個(gè)約束很好理解，因?yàn)槲募?zhí)行和文件被寫應(yīng)該需要同步保護(hù)，因此內(nèi)核會(huì)保證這種同步。那么內(nèi)核是如何實(shí)現(xiàn)該機(jī)制的呢?
Inode結(jié)點(diǎn)中包含一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，叫做i_writecount,很明顯是用于記錄文件被寫的個(gè)數(shù)的，用于同步的，其類型也是atomic_t. 內(nèi)核中有兩個(gè)我們需要了解的函數(shù)，與write操作有關(guān)，分別是:

復(fù)制代碼代碼如下:

int get_write_access(struct inode * inode)
{
    spin_lock(&inode->i_lock);
    if (atomic_read(&inode->i_writecount) < 0) {
                spin_unlock(&inode->i_lock);
        return -ETXTBSY;
    }
    atomic_inc(&inode->i_writecount);
        spin_unlock(&inode->i_lock);
    return 0;
}

int deny_write_access(struct file * file)
{
    struct inode *inode = file->f_path.dentry->d_inode;
        spin_lock(&inode->i_lock);
    if (atomic_read(&inode->i_writecount) > 0) {//如果文件被打開(kāi)了，返回失敗
                spin_unlock(&inode->i_lock);
        return -ETXTBSY;
    }
        atomic_dec(&inode->i_writecount); 
    spin_unlock(&inode->i_lock);
}

這兩個(gè)函數(shù)都很簡(jiǎn)單，get_write_acess作用就和名稱一致，同樣deny_write_access也是。如果一個(gè)文件被執(zhí)行了，要保證它在執(zhí)行的過(guò)程中不能被寫，那么在開(kāi)始執(zhí)行前應(yīng)該調(diào)用deny_write_access 來(lái)關(guān)閉寫的權(quán)限。那就來(lái)檢查execve系統(tǒng)調(diào)用有沒(méi)有這么做。
Sys_execve中調(diào)用do_execve,然后又調(diào)用函數(shù)open_exec,看一下open_exec的代碼:

復(fù)制代碼代碼如下:

struct file *open_exec(const char *name)
{
    struct file *file;
    int err;
        file = do_filp_open(AT_FDCWD, name,
                O_LARGEFILE | O_RDONLY | FMODE_EXEC, 0,
                MAY_EXEC | MAY_OPEN);

        if (IS_ERR(file))
        goto out;
        err = -EACCES;

    if (!S_ISREG(file->f_path.dentry->d_inode->i_mode))
        goto exit;

        if (file->f_path.mnt->mnt_flags & MNT_NOEXEC)
        goto exit;

        fsnotify_open(file->f_path.dentry);
    err = deny_write_access(file);//調(diào)用
       if (err)
        goto exit;

       out:
    return file;

       exit:
    fput(file);
    return ERR_PTR(err);
}

明顯看到了deny_write_access的調(diào)用，和預(yù)想的完全一致。在open的調(diào)用里，應(yīng)該有g(shù)et_write_access的調(diào)用。在open調(diào)用相關(guān)的__dentry_open函數(shù)中就包含了對(duì)該函數(shù)的調(diào)用。

復(fù)制代碼代碼如下:

if (f->f_mode & FMODE_WRITE) {
    error = __get_file_write_access(inode, mnt);
    if (error)
            goto cleanup_file;
    if (!special_file(inode->i_mode))
    　　file_take_write(f);
}

其中__get_file_write_access(inode, mnt)封裝了get_write_access.
那么內(nèi)核又是如何保證一個(gè)正在被寫的文件是不允許被執(zhí)行的呢?這個(gè)同樣也很簡(jiǎn)單，當(dāng)一個(gè)文件已經(jīng)為write而open時(shí)，它對(duì)應(yīng)的inode的i_writecount會(huì)變成1，因此在執(zhí)行execve時(shí)同樣會(huì)調(diào)用deny_write_access 中讀取到i_writecount>0之后就會(huì)返回失敗，因此execve也就會(huì)失敗返回。
這里是寫文件與i_writecount相關(guān)的場(chǎng)景:
寫打開(kāi)一個(gè)文件時(shí)，在函數(shù)dentry_open中:

復(fù)制代碼代碼如下:

if (f->f_mode & FMODE_WRITE) { 
    error = get_write_access(inode); 
    if (error) 
    goto cleanup_file; 
} 

當(dāng)然在文件關(guān)閉時(shí)，會(huì)將i_writecount--；關(guān)閉時(shí)會(huì)執(zhí)行代碼:

復(fù)制代碼代碼如下:

if (file->f_mode & FMODE_WRITE) 
    put_write_access(inode); 

put_write_access 代碼很簡(jiǎn)單:

復(fù)制代碼代碼如下:

static inline void put_write_access(struct inode * inode) 
{ 
    atomic_dec(&inode->i_writecount); 
} 

于是乎自己寫了個(gè)簡(jiǎn)單的代碼，一個(gè)空循環(huán)，文件在執(zhí)行的時(shí)候，在bash中，echo 111 >>可執(zhí)行文件，結(jié)果預(yù)期之中，返回失敗，并提示信息 text file busy.
那么該機(jī)制是否同樣適用于映射機(jī)制呢，在執(zhí)行可執(zhí)行文件時(shí)，會(huì)mmap一些關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，這些動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是否被mmap之后就不允許被寫以及正在寫時(shí)不允許mmap呢?這個(gè)是需要考慮的，因?yàn)樗P(guān)系到安全的問(wèn)題。因?yàn)閹?kù)文件也是可執(zhí)行的代碼，被篡改同樣會(huì)引起安全問(wèn)題。
Mmap在調(diào)用mmap_region的函數(shù)里，有一個(gè)相關(guān)的檢查:

復(fù)制代碼代碼如下:

if (vm_flags & VM_DENYWRITE) {          
        error = deny_write_access(file);
    if (error)
        goto free_vma;
    correct_wcount = 1;
}

其中，mmap調(diào)用中的flags參數(shù)會(huì)被正確的賦值給vm_flags,對(duì)應(yīng)關(guān)系是MAP_DENYWRIRE被設(shè)置了，那么VM_DENYWRITE就對(duì)應(yīng)的也被設(shè)置。下面寫了個(gè)簡(jiǎn)單的代碼，做一下測(cè)試:

復(fù)制代碼代碼如下:

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
        int fd;
    void *src = NULL;
    fd = open("test.txt",O_RDONLY);
    if (fd != 0)
        {
        if ((src = mmap(0,5,PROT_READ|PROT_EXEC  ,MAP_PRIVATE|        MAP_DENYWRITE,fd,0))== MAP_FAILED)
                {
            printf("MMAP error\n");
            printf("%s\n",strerror(errno));
                }else{
            printf("%x\n",src);
        }
    }

        FILE * fd_t = fopen("test.txt","w");
    if( !fd_t)
    {
                printf("open for write error\n");
        printf("%s\n",strerror(errno));
        return 0;
    }

        if (fwrite("0000",sizeof(char),4,fd_t) != 4)
    {
        printf("fwrite error \n");
    }

     
        fclose(fd_t);
    close(fd);
    return 1;
}

最后的test.txt被寫成了”0000”，很奇怪，貌似MAP_DENTWRITE不起作用了。于是man mmap查看，發(fā)現(xiàn):

　　MAP_DENYWRITE

　　This flag is ignored. (Long ago, it signaled that attempts to write to the underlying file should fail with ETXTBUSY. But this was a source of denial-of-service attacks.)

原來(lái)這個(gè)標(biāo)識(shí)在用戶層已經(jīng)不起作用了啊，而且還說(shuō)明了原因，容易引起拒絕式服務(wù)攻擊。攻擊者惡意的將某些系統(tǒng)程序要寫的文件以MAP_DENYWRITE模式映射，會(huì)導(dǎo)致正常程序?qū)懳募?。不過(guò)VM_DENYWRITE在內(nèi)核里還是有使用的，在mmap中還是有對(duì)deny_write_access的調(diào)用，但是對(duì)它的調(diào)用已經(jīng)不是由mmap中的flag參數(shù)的MAP_DENYWRITE驅(qū)動(dòng)的了。
那與可執(zhí)行文件相關(guān)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件就悲劇了，大家都知道動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)使用的也是mmap，這也導(dǎo)致動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)在運(yùn)行時(shí)可以被更改。其實(shí)我這就是為了確認(rèn)這點(diǎn)。這也導(dǎo)致我需要自己寫同步控制代碼了。我們可以使用inode中的i_security以及file結(jié)構(gòu)的f_secutiry變量來(lái)寫自己的同步邏輯，就是麻煩了不少，還要寫內(nèi)核模塊，哎，工作量又增加了啊。安全問(wèn)題是個(gè)麻煩的問(wèn)題...

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