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Original:Memory Protection Keys
翻译:司延腾 Yanteng Si <siyanteng@loongson.cn>
校译:吴想成 Wu XiangCheng <bobwxc@email.cn>

内存保护密钥

用户空间的内存保护密钥(Memory Protection Keys for Userspace,PKU,亦 即PKEYs)是英特尔Skylake(及以后)“可扩展处理器”服务器CPU上的一项功能。 它将在未来的非服务器英特尔处理器和未来的AMD处理器中可用。

对于任何希望测试或使用该功能的人来说,它在亚马逊的EC2 C5实例中是可用的, 并且已知可以在那里使用Ubuntu 17.04镜像运行。

内存保护密钥提供了一种机制来执行基于页面的保护,但在应用程序改变保护域 时不需要修改页表。它的工作原理是在每个页表项中为“保护密钥”分配4个以 前被忽略的位,从而提供16个可能的密钥。

还有一个新的用户可访问寄存器(PKRU),为每个密钥提供两个单独的位(访 问禁止和写入禁止)。作为一个CPU寄存器,PKRU在本质上是线程本地的,可能 会给每个线程提供一套不同于其他线程的保护措施。

有两条新指令(RDPKRU/WRPKRU)用于读取和写入新的寄存器。该功能仅在64位 模式下可用,尽管物理地址扩展页表中理论上有空间。这些权限只在数据访问上 强制执行,对指令获取没有影响。

系统调用

有3个系统调用可以直接与pkeys进行交互:

int pkey_alloc(unsigned long flags, unsigned long init_access_rights)
int pkey_free(int pkey);
int pkey_mprotect(unsigned long start, size_t len,
                  unsigned long prot, int pkey);

在使用一个pkey之前,必须先用pkey_alloc()分配它。一个应用程序直接调用 WRPKRU指令,以改变一个密钥覆盖的内存的访问权限。在这个例子中,WRPKRU 被一个叫做pkey_set()的C函数所封装:

int real_prot = PROT_READ|PROT_WRITE;
pkey = pkey_alloc(0, PKEY_DISABLE_WRITE);
ptr = mmap(NULL, PAGE_SIZE, PROT_NONE, MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE, -1, 0);
ret = pkey_mprotect(ptr, PAGE_SIZE, real_prot, pkey);
... application runs here

现在,如果应用程序需要更新’ptr’处的数据,它可以获得访问权,进行更新, 然后取消其写访问权:

pkey_set(pkey, 0); // clear PKEY_DISABLE_WRITE
*ptr = foo; // assign something
pkey_set(pkey, PKEY_DISABLE_WRITE); // set PKEY_DISABLE_WRITE again

现在,当它释放内存时,它也将释放pkey,因为它不再被使用了:

munmap(ptr, PAGE_SIZE);
pkey_free(pkey);

Note

pkey_set()是RDPKRU和WRPKRU指令的一个封装器。在tools/testing/selftests/x86/protection_keys.c中可以找到一个实现实例。 tools/testing/selftests/x86/protection_keys.c.

行为

内核试图使保护密钥与普通的mprotect()的行为一致。例如,如果你这样做:

mprotect(ptr, size, PROT_NONE);
something(ptr);

这样做的时候,你可以期待保护密钥的相同效果:

pkey = pkey_alloc(0, PKEY_DISABLE_WRITE | PKEY_DISABLE_READ);
pkey_mprotect(ptr, size, PROT_READ|PROT_WRITE, pkey);
something(ptr);

无论something()是否是对’ptr’的直接访问,这都应该为真。 如:

*ptr = foo;

或者当内核代表应用程序进行访问时,比如read():

read(fd, ptr, 1);

在这两种情况下,内核都会发送一个SIGSEGV,但当违反保护密钥时,si_code 将被设置为SEGV_PKERR,而当违反普通的mprotect()权限时,则是SEGV_ACCERR。