linux 可執(zhí)行文件與寫操作的同步問題(文件讀寫操作產(chǎn)生的鎖機制)

更新時間：2013年10月22日 09:55:50 作者：

在哪種系統(tǒng)下都會有文件操作產(chǎn)生的同步問題，今天說說linux下讀寫文件的鎖機制。

當一個可執(zhí)行文件已經(jīng)為write而open時，此時的可執(zhí)行文件是不允許被執(zhí)行的。反過來，一個文件正在執(zhí)行時，它也是不允許同時被write模式而open的。這個約束很好理解，因為文件執(zhí)行和文件被寫應該需要同步保護，因此內(nèi)核會保證這種同步。那么內(nèi)核是如何實現(xiàn)該機制的呢?
Inode結點中包含一個數(shù)據(jù)項，叫做i_writecount,很明顯是用于記錄文件被寫的個數(shù)的，用于同步的，其類型也是atomic_t. 內(nèi)核中有兩個我們需要了解的函數(shù)，與write操作有關，分別是:

復制代碼代碼如下:

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);
}

這兩個函數(shù)都很簡單，get_write_acess作用就和名稱一致，同樣deny_write_access也是。如果一個文件被執(zhí)行了，要保證它在執(zhí)行的過程中不能被寫，那么在開始執(zhí)行前應該調用deny_write_access 來關閉寫的權限。那就來檢查execve系統(tǒng)調用有沒有這么做。
Sys_execve中調用do_execve,然后又調用函數(shù)open_exec,看一下open_exec的代碼:

復制代碼代碼如下:

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的調用，和預想的完全一致。在open的調用里，應該有get_write_access的調用。在open調用相關的__dentry_open函數(shù)中就包含了對該函數(shù)的調用。

復制代碼代碼如下:

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正在被寫的文件是不允許被執(zhí)行的呢?這個同樣也很簡單，當一個文件已經(jīng)為write而open時，它對應的inode的i_writecount會變成1，因此在執(zhí)行execve時同樣會調用deny_write_access 中讀取到i_writecount>0之后就會返回失敗，因此execve也就會失敗返回。
這里是寫文件與i_writecount相關的場景:
寫打開一個文件時，在函數(shù)dentry_open中:

復制代碼代碼如下:

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

當然在文件關閉時，會將i_writecount--；關閉時會執(zhí)行代碼:

復制代碼代碼如下:

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

put_write_access 代碼很簡單:

復制代碼代碼如下:

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

于是乎自己寫了個簡單的代碼，一個空循環(huán)，文件在執(zhí)行的時候，在bash中，echo 111 >>可執(zhí)行文件，結果預期之中，返回失敗，并提示信息 text file busy.
那么該機制是否同樣適用于映射機制呢，在執(zhí)行可執(zhí)行文件時，會mmap一些關聯(lián)的動態(tài)鏈接庫，這些動態(tài)鏈接庫是否被mmap之后就不允許被寫以及正在寫時不允許mmap呢?這個是需要考慮的，因為它關系到安全的問題。因為庫文件也是可執(zhí)行的代碼，被篡改同樣會引起安全問題。
Mmap在調用mmap_region的函數(shù)里，有一個相關的檢查:

復制代碼代碼如下:

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

其中，mmap調用中的flags參數(shù)會被正確的賦值給vm_flags,對應關系是MAP_DENYWRIRE被設置了，那么VM_DENYWRITE就對應的也被設置。下面寫了個簡單的代碼，做一下測試:

復制代碼代碼如下:

#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.)

原來這個標識在用戶層已經(jīng)不起作用了啊，而且還說明了原因，容易引起拒絕式服務攻擊。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，會導致正常程序寫文件失敗。不過VM_DENYWRITE在內(nèi)核里還是有使用的，在mmap中還是有對deny_write_access的調用，但是對它的調用已經(jīng)不是由mmap中的flag參數(shù)的MAP_DENYWRITE驅動的了。
那與可執(zhí)行文件相關的動態(tài)鏈接庫文件就悲劇了，大家都知道動態(tài)鏈接庫使用的也是mmap，這也導致動態(tài)鏈接庫在運行時可以被更改。其實我這就是為了確認這點。這也導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結構的f_secutiry變量來寫自己的同步邏輯，就是麻煩了不少，還要寫內(nèi)核模塊，哎，工作量又增加了啊。安全問題是個麻煩的問題...

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