# 异常表安全内存拷贝方案设计

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本文作者：龙进 <longjin@dragonos.org>

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## 概述

本文档描述DragonOS中基于异常表(Exception Table)机制的安全内存拷贝方案的核心设计思想。该方案解决内核在系统调用上下文中安全访问用户空间内存的问题,防止因访问无效用户地址而导致的内核panic。

## 设计背景与动机

### 问题定义

在系统调用处理中,内核需要访问用户空间传入的指针(如路径字符串、参数结构体等)。这些访问可能失败:

1. **地址未映射**: 用户传入的地址没有对应的VMA(Virtual Memory Area)
2. **权限不足**: 页面存在但缺少所需权限
3. **恶意输入**: 用户故意传入非法地址

### 传统方案的局限

**预检查方案的TOCTTOU问题:**
- 检查时地址有效,使用时可能已被其他线程修改
- 存在竞态窗口

**直接访问的困境:**
- 无法区分"正常缺页"和"非法访问"
- 页错误处理器无法判断是内核bug还是用户错误

## 异常表机制原理

### 核心思想

异常表机制通过**编译期标记 + 运行时查找**实现安全的用户空间访问:

1. **编译期**: 在可能触发页错误的指令处生成异常表条目
2. **运行时**: 页错误发生时,查找异常表并跳转到修复代码
3. **零开销**: 正常路径无性能损失

### 架构示意图

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      系统调用执行流程                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│   用户空间                  内核空间                           │
│  ┌──────┐         ┌──────────────────────────────┐          │
│  │0x1000│         │ 1. 系统调用入口                │          │
│  │(未映射)─────────→ 2. 拷贝用户数据(带标记)         │          │
│  └──────┘         │    ├─ 正常完成 ──→ 返回成功     │          │
│                   │    └─ 触发#PF                 │          │
│                   │         ↓                    │          │
│                   │ 3. 页错误处理器                │          │
│                   │    ├─ 查找异常表               │          │
│                   │    └─ 找到修复代码地址          │          │
│                   │         ↓                    │          │
│                   │ 4. 修改指令指针(RIP)           │          │
│                   │         ↓                    │          │
│                   │ 5. 执行修复代码                │          │
│                   │    └─ 返回剩余未拷贝字节数      │          │
│                   │         ↓                    │          │
│                   │ 6. 返回EFAULT给用户            │          │
│                   └──────────────────────────────┘          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

### 核心数据结构

**异常表条目 (8字节对齐):**
```
┌─────────────────┬──────────────────┐
│  指令相对偏移     │  修复代码相对偏移   │
│    (4 bytes)    │    (4 bytes)     │
└─────────────────┴──────────────────┘
```

**设计要点:**
- 使用相对偏移支持ASLR(地址空间布局随机化)
- 8字节对齐提高缓存性能
- 存储于只读段防止篡改

### 工作流程

```
编译期:
    源码 ──→ 带标记的指令 ──→ 生成异常表条目 ──→ 链接到内核镜像
              (rep movsb)       (insn→fixup)

运行期:
    执行拷贝 ──→ 触发页错误? ─否→ 正常返回
                     │
                    是
                     ↓
              查找异常表 ──→ 找到? ─否→ 内核panic
                              │
                             是
                              ↓
                    修改RIP到修复代码 ──→ 返回剩余未拷贝字节数
```

## 典型执行场景

### 场景: 系统调用传入无效地址

以`open()`系统调用为例,展示异常表的工作过程:

```
用户程序: open(0x1000, O_RDONLY)  // 0x1000未映射
         │
         ↓
    ┌────────────────────────────────┐
    │ 1. 进入系统调用                  │
    │    ├─ 解析路径字符串             │
    │    └─ 逐字节拷贝直到'\0'         │
    └────────────────────────────────┘
         │
         ↓
    ┌────────────────────────────────┐
    │ 2. 拷贝第一个字节时触发页错误      │
    │    (地址0x1000不在VMA中)         │
    └────────────────────────────────┘
         │
         ↓
    ┌────────────────────────────────┐
    │ 3. 页错误处理器                  │
    │    ├─ 检测到访问用户地址          │
    │    ├─ 查找异常表                 │
    │    └─ 找到对应的修复代码          │
    └────────────────────────────────┘
         │
         ↓
    ┌────────────────────────────────┐
    │ 4. 修改指令指针到修复代码          │
    │    └─ 设置返回值为剩余未拷贝字节数  │
    └────────────────────────────────┘
         │
         ↓
    ┌────────────────────────────────┐
    │ 5. 系统调用返回EFAULT            │
    └────────────────────────────────┘
         │
         ↓
用户程序: fd = -1, errno = EFAULT
```

**关键点:**
- 无需预检查地址有效性
- 页错误自动转换为返回剩余未拷贝字节数
- 内核不会panic,用户程序收到明确的错误信息

## 使用场景分析

### ✅ 适合使用异常表保护的场景

#### 1. 小数据的系统调用参数

**特征:**
- 数据量小 (通常 < 4KB)
- 一次性拷贝
- 无法预知数据长度(如字符串)

**典型应用:**
- 路径字符串: `open()`, `stat()`, `execve()`等
- 固定大小结构体: `sigaction`, `timespec`, `stat`等
- 小型数组: `iovec[]`, `pollfd[]`等

**优势:**
- **避免TOCTTOU竞态**: 无需预检查
- **高鲁棒性**: 用户错误不会导致内核panic
- **性能可接受**: 数据量小,即使多拷贝一次也影响不大

#### 2. 不确定地址有效性的场景

当无法通过其他方式验证地址时,异常表是最安全的选择:
- 用户直接传入的原始指针
- 多线程环境下可能被并发修改的地址
- 需要原子性保证的操作

### ❌ 不适合使用异常表保护的场景

#### 1. 大数据传输

**反模式: read/write系统调用中双重缓冲**
```
用户缓冲区 → 内核临时缓冲区 → 用户缓冲区  ❌
```

**问题:**
- 内存浪费: 需要额外的内核缓冲区
- 双重拷贝: 数据被拷贝两次
- OOM风险: 大量并发读写耗尽内存

**正确方案: 零拷贝**
- 预先验证地址在有效VMA中
- 直接在用户缓冲区上操作
- 页错误触发正常的缺页处理(非错误)

#### 2. 已验证的VMA内地址

如果地址已通过VMA检查,异常表是多余的:
- `mmap()`后的立即访问
- DMA缓冲区
- 共享内存区域

在这些场景下,页错误是**正常的缺页处理**(如COW),不是错误。

#### 3. 性能敏感的热路径

避免在循环中频繁调用带异常表保护的函数:
- **批量处理**: 一次拷贝整个数组,而非逐元素拷贝
- **提前验证**: 在循环外验证地址,循环内直接访问

### 决策矩阵

| 场景特征 | 数据量 | 推荐方案 | 核心考虑 |
|---------|--------|----------|---------|
| 系统调用小参数 | < 4KB | 异常表保护 | 避免TOCTTOU,提高鲁棒性 |
| 文件读写 | 可变(MB级) | 零拷贝 | 性能优先,避免双重缓冲 |
| mmap后访问 | 任意 | 直接访问 | VMA已验证,正常缺页 |
| 批量小数据 | 累计KB级 | 批量拷贝 | 减少系统调用次数 |
| 字符串解析 | 未知 | 异常表保护 | 逐字节扫描,需要健壮性 |

## 安全性分析

### 防御能力

异常表机制可以防御:

1. **空指针解引用**: 返回EFAULT而非段错误
2. **内核地址注入**: 用户传入内核地址被安全拒绝
3. **竞态攻击**: TOCTTOU窗口被消除
4. **越界访问**: 访问VMA外地址被捕获

### 安全边界

异常表**不能**防御:

1. **内核自身bug**: 如野指针解引用
2. **硬件故障**: 内存物理损坏
3. **其他异常类型**: 仅处理页错误

### 多层防御

异常表是纵深防御的一部分:

```
┌─────────────────────────────────────┐
│  用户空间权限检查 (SELinux/AppArmor)   │  ← 权限层
├─────────────────────────────────────┤
│  系统调用参数验证                      │  ← 逻辑层
├─────────────────────────────────────┤
│  异常表机制                           │  ← 内存安全层
├─────────────────────────────────────┤
│  硬件页保护 (MMU)                     │  ← 硬件层
└─────────────────────────────────────┘
```

## 实现要点

### 关键技术

1. **相对偏移编码**: 支持地址随机化(ASLR)
2. **二分查找**: O(log n)时间复杂度快速定位
3. **内联汇编**: 精确控制指令和异常表生成
4. **零开销抽象**: 正常路径无性能损失

### 架构移植

异常表机制可移植到其他架构:

- **x86_64**: 使用`rep movsb`指令
- **ARM64**: 使用`ldp/stp`指令序列
- **RISC-V**: 使用`ld/sd`指令序列

核心思想保持不变,只需调整汇编语法。