從貓蛇之戰三看內核戲CPU
小時候曾經目睹過貓與蛇戰斗，面對昂首發威的毒蛇，小貓不慌不忙，揮舞前爪，沉著冷靜，看準時機進攻，膽大心細。
在網上搜一下，可以看到很多貓蛇戰斗的照片，看來貓蛇之戰是很多人都喜歡看的“精彩節目”。
(照片來自搜索引擎)
再來一張更清晰一些的。
(照片來自搜索引擎)
之所以想到貓蛇之戰，是因為今天在“格友會講”群里一位同行問了一個很有深度的問題。
(前方內容只適合技術控，其他讀者止步)
簡單說問題是，調試器是如何訪問不能訪問的內存的。
看了這個問題，我立刻覺得這位同行是有功力的。因為普通的程序員是問不出這樣的問題的。
要理解這個問題，必須有些底層的基礎。
***個基礎是要有保護模式的概念。很多同行都知道，今天的CPU是運行在所謂的保護模式中，軟件訪問的內存空間都是虛擬空間。而且這個虛擬空間中的內容是分三六九等的，是分平民區和富人區的，是分道路和深坑的。因為此，訪問內存時是要小心的，有些地方可以訪問，有些地方一訪問就可能出大問題的，爆炸崩潰甚至“死亡”的。
大多數的應用程序崩潰和系統藍屏都是因為訪問了不該訪問的地方。
第二個基礎是對調試器有比較深的認識，知道在調試器里可以放心大膽地想訪問哪里就訪問哪里，不用那么小心。
舉例來說，在普通程序里，如果訪問空地址，那么不死也傷半條命(處理不好，就被系統殺了)。但是在調試器里，dd 0沒有問題，調試器會給出一串串可愛的問號，代表不可訪問，子虛烏有。
- 6: kd> dd 0
- 00000000`00000000 ???????? ???????? ???????? ????????
- 00000000`00000010 ???????? ???????? ???????? ????????
- 00000000`00000020 ???????? ???????? ???????? ????????
- 00000000`00000030 ???????? ???????? ???????? ????????
- 00000000`00000040 ???????? ???????? ???????? ????????
- 00000000`00000050 ???????? ???????? ???????? ????????
- 00000000`00000060 ???????? ???????? ???????? ????????
- 00000000`00000070 ???????? ???????? ???????? ????????
那么問題來了，為啥普通程序一碰就爆炸，而調試器訪問卻安然無恙呢?
坦率說，***次在腦海中出現這個問題時，也令我困惑了一陣。直到后來發現了內核中的一個神秘機制。這個機制是跨操作系統的，Windows中有，Linux也有，而且都是相同的名字，叫Probe。
有點令人詫異的是，連函數名很類似，比如Windows(NT內核)中的兩個函數為：
- 6: kd> x nt!probe*
- fffff800`06581d70 nt!ProbeForWrite (void)
- fffff800`06518ad0 nt!ProbeForRead (<no parameter info>)
而Linux內核中的兩個函數為：
- root@gedu-VirtualBox:/home/gedu/labs/linux-source-4.8.0# sudo cat /proc/kallsyms | grep "\bprobe_ke"
- ffffffff811a5f00 W probe_kernel_read
- ffffffff811a5fc0 W probe_kernel_write
搜一下KDB/KGDB的源代碼，可以看到很多地方調用了上面兩個函數：
簡單來說，內核里封裝了兩個特殊的函數，提供給包括調試器在內的一些特殊客戶使用。
接下來的問題是，probe函數內部是如何做的呢?有關的源代碼如下。
(更完整的請見https://elixir.bootlin.com/linux/v4.8/source/mm/maccess.c#L23 )
其中的關鍵是在__copy動作前后分別有：
- pagefault_disable();
- pagefault_enable();
也就是先禁止了pagefault，訪問好之后再啟用。這有點像是在耍蛇之前，先把它的毒牙包上。
繼續深挖，在目前的Linux內核實現中，是維護一個計數器：pagefault_disabled。
(https://elixir.bootlin.com/linux/v5.0-rc8/source/include/linux/uaccess.h)
在處理頁錯誤的do_page_fault函數中，會判斷這個標志，如果發現禁止條件，則忽略這次訪問錯誤。
講到這里，問題說清了一半，要繼續深追的話，還有一些細節，今天有點晚了，改日再敘。
