截獲Linux操作系統異常處理
在某些情況下，我們可能需要去截獲Linux操作系統的一些異常處理，比如截獲page fault異常處理。
可以修改內核的情況下：
如果我們能夠修改內核，那么截獲page fault異常處理就會非常簡單。以linux 3.8.0內核為例，系統中發生page fault之后，會進入page fault異常處理，調用do_page_fault函數。do_page_fault的代碼如下：
- dotraplinkage void __kprobes
- do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
- {
- exception_enter(regs);
- __do_page_fault(regs, error_code);
- exception_exit(regs);
- }
我們把do_page_fault函數的內容提取出來，寫成一個新的函數default_do_page_fault。再增加一個函數指針do_page_fault_handler，初始化為default_do_page_fault。將原來的do_page_fault內部改為調用函數指針do_page_fault_handler。修改之后的代碼如下：
- void
- default_do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
- {
- exception_enter(regs);
- __do_page_fault(regs, error_code);
- exception_exit(regs);
- }
- EXPORT_SYMBOL(default_do_page_fault);
- typedef void (*do_page_fault_handler_t)(struct pt_regs *, unsigned long);
- do_page_fault_handler_t do_page_fault_handler = default_do_page_fault;
- EXPORT_SYMBOL(do_page_fault_handler);
- dotraplinkage void __kprobes
- do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code){
- do_page_fault_handler(regs, error_code);
- }
由于do_page_fault_handler被EXPORT_SYMBOL導出，我們在內核模塊中可以很方便地訪問它。只要將do_page_fault_handler的值設置為自定義的page fault異常處理函數，就能完成截獲功能。如果想要恢復原來的異常處理函數，只需要再次把do_page_fault_handler設置為default_do_page_fault即可。
不能修改內核的情況下：
但是有些情況下，我們不能直接修改內核代碼，需要在已經編譯好的內核上完成截獲功能。
開始的時候，我考慮在do_page_fault函數開始處插入跳轉代碼，跳轉到自定義的page fault處理函數中。但是實踐的時候發現，內核不允許直接修改do_page_fault的代碼。
經過一番調查，又想到一個新的辦法，即通過更改IDT表的方式來截獲page fault。
內核原有的IDT表肯定是不能直接寫的，所以我申請了一個頁，將原來的IDT表復制過來，再更改頁面異常對應的ISR(Interrupt Service Routine)。page fault的ISR名稱為page_fault，它將寄存器壓棧，將error number壓棧，然后調用do_page_fault，待do_page_fault返回之后再恢復寄存器，退出異常處理。
在Linux內核中，ISR是用匯編寫的。例如，x86_64 Linux的ISR源碼位于內核源碼arch/x86/kernel/entry_64.S中，X86_32的位于arch/x86/kernel/entry_32.S中。如果去讀entry_64.S或者entry_32.S，你會發現這兩個文件非常復雜，利用了很多的匯編宏和宏定義，無法方便地基于它們寫一個自定義的ISR出來。
我的解決辦法是將內核編譯出來，反匯編vmlinux.o，然后查找page_fault，找到其匯編代碼。下面的匯編代碼就是linux-3.8.0 X86_64內核的：
- ffffffff8136f6f0 <page_fault>:
- ffffffff8136f6f0: 66 66 90 data32 xchg %ax,%ax
- ffffffff8136f6f3: ff 15 07 0a 2b 00 callq *0x2b0a07(%rip) # ffffffff81620100 <pv_irq_ops+0x30>
- ffffffff8136f6f9: 48 83 ec 78 sub $0x78,%rsp
- ffffffff8136f6fd: e8 ae 01 00 00 callq ffffffff8136f8b0 <error_entry>
- ffffffff8136f702: 48 89 e7 mov %rsp,%rdi
- ffffffff8136f705: 48 8b 74 24 78 mov 0x78(%rsp),%rsi
- ffffffff8136f70a: 48 c7 44 24 78 ff ff movq $0xffffffffffffffff,0x78(%rsp)
- ffffffff8136f711: ff ff
- ffffffff8136f713: e8 1f 2e 00 00 callq ffffffff81372537 <do_page_fault>
- 11 ffffffff8136f718: e9 33 02 00 00 jmpq ffffffff8136f950 <error_exit>
- 12 ffffffff8136f71d: 0f 1f 00 nopl (%rax)
我仿照著寫了一個，名為my_page_fault：
- asmlinkage void my_page_fault(void);
- asm(" .text");
- asm(" .type my_page_fault,@function");
- asm("my_page_fault:");
- //the first 3 bytes of the routine basically do nothing,
- //but I decide to keep them because kernel may rely on them for some special purpose
- asm(" .byte 0x66");
- asm(" xchg %ax, %ax");
- asm(" callq *addr_adjust_exception_frame");
- asm(" sub $0x78, %rsp");
- asm(" callq *addr_error_entry");
- asm(" mov %rsp, %rdi");
- asm(" mov 0x78(%rsp), %rsi");
- asm(" movq $0xffffffffffffffff, 0x78(%rsp)");
- asm(" callq my_do_page_fault");
- asm(" jmpq *addr_error_exit");
- asm(" nopl (%rax)");
其中第9行addr_adjust_exception_frame是(pv_irq_ops+0x30)地址處存儲的值；第11行addr_error_entry是error_entry的地址；第16行addr_error_exit是error_exit的地址。這幾個值需要從System.map文件中查詢，然后用內核模塊參數的形式傳入。而my_do_page_fault則是我們自己定義的page fault處理函數。
如果需要截獲X86_32的page fault，可以參考這個C文件。不過需要注意的是，新版內核有所變動，這里的代碼需要根據自己的情況做一些調整。
有了自定義的ISR之后，就可以將這個ISR填到IDT中，加載新的IDT表之后，自定義的page fault處理函數就開始發揮作用了。這個過程主要有以下幾個步驟：
- 用store_idt(&default_idtr)保存現有的IDT寄存器值
- 從default_idtr中讀出IDT表首地址和表的大小
- 申請一個頁面
- 將原來的idt表拷貝到新申請的頁面中
- 利用pack_gate將my_page_fault（注意不是my_do_page_fault）填入到對應的IDT項中
- 在idtr中填寫新的IDT表地址和大小，用load_idt(&idtr)加載新的IDT表到當前CPU
- 利用smp_call_function，將新的IDT表加載到其他CPU上。
如果想恢復原來的IDT表，則用load(&default_idtr)和smp_call_function加載原來的IDT表，釋放申請的頁面。
讀完文章之后，可以參考我的github中的代碼：https://github.com/RichardUSTC/intercept-page-fault-handler
