如何从内核模块读取另一个进程的堆内存？

2024-07-23 18:30:53

如何从内核模块读取另一个进程的堆内存？

在内核模块开发中，访问其他进程的内存空间是一个常见的需求，例如监控进程状态、提取数据分析等场景。然而，内核空间与用户空间的内存管理机制不同，直接访问用户空间内存可能会导致系统不稳定。本文将详细介绍如何安全有效地从内核模块读取另一个进程的堆内存。

理解内核空间与用户空间的差异

用户空间程序可以使用 process_vm_readv() 函数读取其他进程的内存，该函数依赖于 /proc 文件系统。然而，内核空间无法直接访问 /proc 文件系统，因此需要采用其他方法。

利用 `mm_struct` 和页表机制

每个进程在内核中都对应一个 task_struct 结构体，其中包含了进程的各种信息，包括指向该进程内存符 mm_struct 的指针。mm_struct 结构体了进程的整个虚拟地址空间，其中包含了页表信息。页表用于将虚拟地址转换为物理地址，从而实现对内存的访问控制。

实现步骤详解

获取目标进程的 task_struct 结构体指针： 可以通过进程ID（PID）查找目标进程，使用 pid_task() 函数获取其 task_struct 结构体指针。

struct task_struct *task;
pid_t target_pid = YOUR_TARGET_PID;
task = pid_task(find_vpid(target_pid), PIDTYPE_PID);
if (!task) {
    // 处理进程未找到的错误
}

获取目标进程的 mm_struct 结构体指针： mm_struct 结构体指针存储在 task_struct 结构体中。

struct mm_struct *mm;
mm = task->mm;
if (!mm) {
    // 处理进程没有内存映射的错误
}

获取内存映射信号量： 为避免内存映射在读取过程中被修改，需要获取 mm_struct 结构体中的 mmap_sem 信号量。
```
if (down_read_trylock(&mm->mmap_sem) != 0) {
    // 处理无法获取信号量的错误
}
```
遍历目标进程的虚拟地址空间： 根据进程的内存映射信息（可通过 /proc/pid/maps 文件获取），确定需要读取的内存区域的起始地址和大小。
```
unsigned long start_address = YOUR_START_ADDRESS;
size_t size = YOUR_SIZE;
```
使用 follow_page 函数将虚拟地址转换为物理地址： follow_page 函数需要传入 mm_struct 指针、虚拟地址以及访问权限，返回对应的物理页。
```
struct page *page;
page = follow_page(mm, start_address);
if (IS_ERR(page)) {
    // 处理页表项无效的错误
}
```
使用 kmap 函数将物理地址映射到内核空间： kmap 函数将物理页映射到内核线性地址空间，返回一个指向映射内存区域的指针。
```
void *kaddr;
kaddr = kmap(page);
if (!kaddr) {
    // 处理内存映射失败的错误
}
```

读取映射内存中的数据： 现在可以像访问普通内存一样读取目标进程的内存数据。

void *buf = YOUR_BUFFER;
size_t offset = start_address & (PAGE_SIZE - 1); // 计算页内偏移
memcpy(buf, kaddr + offset, size);

使用 kunmap 函数解除映射： 完成数据读取后，使用 kunmap 函数解除映射，释放资源。
```
kunmap(page);
```
释放内存映射信号量： 最后，释放之前获取的 mmap_sem 信号量。
```
up_read(&mm->mmap_sem);
```

代码示例

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

// ...

int read_process_memory(pid_t pid, unsigned long addr, void *buf, size_t size) {
    struct task_struct *task = pid_task(find_vpid(pid), PIDTYPE_PID);
    if (!task) {
        return -ESRCH; 
    }

    struct mm_struct *mm = task->mm;
    if (!mm) {
        return -EINVAL; 
    }

    if (down_read_trylock(&mm->mmap_sem) != 0) {
        return -EBUSY;
    }

    int ret = 0;
    while (size > 0) {
        struct page *page = follow_page(mm, addr);
        if (IS_ERR(page)) {
            ret = PTR_ERR(page);
            break;
        }

        void *kaddr = kmap(page);
        if (!kaddr) {
            ret = -ENOMEM;
            break;
        }

        size_t copy_size = min(PAGE_SIZE - (addr & (PAGE_SIZE - 1)), size);
        memcpy(buf, kaddr + (addr & (PAGE_SIZE - 1)), copy_size);

        kunmap(page);

        addr += copy_size;
        buf += copy_size;
        size -= copy_size;
    }

    up_read(&mm->mmap_sem);
    return ret;
}

// ...

注意事项

权限问题： 确保内核模块拥有读取目标进程内存的权限。
数据一致性： 多线程并发访问同一进程的内存时，需要采取同步机制确保数据一致性。
内存边界检查： 读取内存数据时，务必进行边界检查，避免越界访问导致内核崩溃。

常见问题及解答

如何确定目标进程的堆内存地址范围？

可以通过 /proc/pid/maps 文件获取目标进程的内存映射信息，其中包含了堆内存的起始地址和大小。
读取过程中，目标进程的内存布局发生变化怎么办？

内存布局变化可能导致读取错误，甚至内核崩溃。建议在读取前暂停目标进程，读取完成后再恢复进程运行。
如何处理跨页的内存读取？

如果需要读取的内存区域跨越多个页面，需要循环调用 follow_page 和 kmap 函数，分别处理每个页面。
** kmap 函数返回的地址是否可以缓存？**

kmap 函数返回的地址是动态分配的，可能会被其他内核线程修改。因此，每次使用完后都需要及时调用 kunmap 函数解除映射，不要缓存地址。
使用 copy_from_user 和 copy_to_user 函数是否更安全？

copy_from_user 和 copy_to_user 函数用于在内核空间和用户空间之间安全地复制数据。在本场景中，由于已经获取了物理地址并映射到内核空间，直接使用 memcpy 函数复制数据即可。