Exception -5- (Extable)

<kernel v5.4>

Extable

Exception Table(extable)에는 프로세스 주소 공간(process address space)을 access하는 커널 API를 사용한 코드의 주소와 해당 API의 예외 처리 코드의 주소가 함께 담겨 있다.

  • 커널이 프로세스용으로 할당된 페이지를 읽다 에러가 발생한 경우 페이지 테이블에 아직 로드(lazy load)가 되어 있지 않아 추가적으로 로드를 해야 하는 경우도 있고 그렇지 않고 정말 access 할 수 없는 공간으로 access를 시도하다 발생한 exception인 경우도 있다. 따라서 이에 대한 처리를 하기 위한 코드들이 호출될 수 있도록 설계되었다.

프로세스가 특정 주소를 access 하다가 exception이 발생하는 여러 fault(ARM32에서는 fsr_info[], ARM64에서는 fault_info[])별 처리 핸들러 함수를 실행시킬 때 extable을 검사하여 에러 진원지와 동일한 엔트리를 찾은 경우 해당 fixup 코드를 실행시킨다.

  • 다음은 fsr_info[]에 연결되어 있는 처리함수들이다.
    • do_translation_fault()
      • “section translation fault”
    • do_page_fault()
      • “page translation fault”
      • “page permission fault”
    • do_sect_fault()
      • “section permission fault”

 

다음 함수들에서 .fixup 섹션과 __ex_table 섹션을 사용한다.

  • get_user(), strlen_user(), strnlen_user()
    • __get_user_asm()
  • put_user(), clear_user()
    • __put_user_asm()
  • 이 외에 영역 검사 및 futex 등 몇 개 더 있다.

 


초기화 (정렬)

Main Exception Table이 정렬되어 있지 않은 경우 정렬한다.

  • Exception Table은 다음 두 가지가 있다.
    • Main Exception Table
    • 각 Driver에서 사용하는 Exception Table
  • 컴파일 타임에 툴에 의해 Exception table을 정렬하고, 툴에 의해 main_extable_sort_needed 변수 값까지 1로 바꿔주면  커널 부트업 처리 시 정렬을 할 필요가 없다.
    • CONFIG_BUILDTIME_EXTABLE_SORT 커널 옵션을 사용하여 빌드 타임에 Exception table을 정렬하게 한다.

 

sort_main_extable-1

 

sort_main_extable()

kernel/extable.c

/* Sort the kernel's built-in exception table */
void __init sort_main_extable(void)
{
        if (main_extable_sort_needed && __stop___ex_table > __start___ex_table) {
                pr_notice("Sorting __ex_table...\n");
                sort_extable(__start___ex_table, __stop___ex_table);
        }      
}

Main 커널에서 사용하는 Exception table을 정렬되어 있지 않은 경우 정렬한다.

 

kernel/extable.c

/* Cleared by build time tools if the table is already sorted. */
u32 __initdata __visible main_extable_sort_needed = 1;

 

sort_extable()

kernel/extable.c

void sort_extable(struct exception_table_entry *start,
                  struct exception_table_entry *finish)
{       
        sort(start, finish - start, sizeof(struct exception_table_entry),
             cmp_ex_sort, swap_ex);
}

Exception table의 시작 부터 끝 까지 정렬한다.

  • swap_ex 매크로는 ARCH_HAS_RELATIVE_EXTABLE이 사용되는 x86, powerpc, s390, arm64 아키텍처 등에서만 generic한 swap_ex() 함수를 사용하고, 그렇지 않은 경우 NULL로 치환된다.

 

cmp_ex_sort() – generic

lib/extable.c

/*      
 * The exception table needs to be sorted so that the binary
 * search that we use to find entries in it works properly.
 * This is used both for the kernel exception table and for
 * the exception tables of modules that get loaded.
 */
static int cmp_ex(const void *a, const void *b)
{       
        const struct exception_table_entry *x = a, *y = b;
        
        /* avoid overflow */
        if (ex_to_insn(x) > ex_to_insn(y))
                return 1;
        if (ex_to_insn(x) < ex_to_insn(y))
                return -1;
        return 0;
}

a와 b를 비교한다.

  • sort_extable() 함수가 ARCH_HAS_SORT_EXTABLE 가 사용되지 않는 아키텍처에서 사용할 수 있는 generic 루틴이다.
    • sparc 아키텍처만 ARCH_HAS_SORT_EXTABLE을 지원하고, 나머지는 위의 generic 함수를 사용한다.

 

swap_ex() – generic

lib/extable.c

static void swap_ex(void *a, void *b, int size)
{
        struct exception_table_entry *x = a, *y = b, tmp;
        int delta = b - a;

        tmp = *x;
        x->insn = y->insn + delta;
        y->insn = tmp.insn - delta;

#ifdef swap_ex_entry_fixup
        swap_ex_entry_fixup(x, y, tmp, delta);
#else
        x->fixup = y->fixup + delta;
        y->fixup = tmp.fixup - delta;
#endif
}

a와 b를 치환한다.

 

__ex_table – ARM

arch/arm/kernel/vmlinux.lds.S

#ifdef CONFIG_DEBUG_RODATA
        . = ALIGN(1<<SECTION_SHIFT);
#endif
        RO_DATA(PAGE_SIZE)

        . = ALIGN(4);
        __ex_table : AT(ADDR(__ex_table) - LOAD_OFFSET) {
                __start___ex_table = .;
#ifdef CONFIG_MMU
                *(__ex_table)
#endif
                __stop___ex_table = .;
        }

__ex_table은 .rodata 섹션 뒤에 위치한다.

 

__ex_table – ARM64

arch/arm64/kernel/vmlinux.lds.S

        .text : {                       /* Real text segment            */
                _stext = .;             /* Text and read-only data      */
                        __exception_text_start = .;
                        *(.exception.text)
                        __exception_text_end = .;
                        IRQENTRY_TEXT
                        SOFTIRQENTRY_TEXT
                        ENTRY_TEXT
                        TEXT_TEXT
                        SCHED_TEXT
                        CPUIDLE_TEXT
                        LOCK_TEXT
                        KPROBES_TEXT
                        HYPERVISOR_TEXT
                        IDMAP_TEXT
                        HIBERNATE_TEXT
                        TRAMP_TEXT
                        *(.fixup)
                        *(.gnu.warning)
                . = ALIGN(16);
                *(.got)                 /* Global offset table          */
        }

        . = ALIGN(SEGMENT_ALIGN);
        _etext = .;                     /* End of text section */

        RO_DATA(PAGE_SIZE)              /* everything from this point to     */
        EXCEPTION_TABLE(8)              /* __init_begin will be marked RO NX */
        NOTES

__ex_table은 EXCEPTION_TABLE() 매크로로 정의되고, .rodata 섹션 뒤에 위치한다.

 

include/asm-generic/vmlinux.lds.h

/*
 * Exception table
 */
define EXCEPTION_TABLE(align)                                          \
        . = ALIGN(align);                                               \
        __ex_table : AT(ADDR(__ex_table) - LOAD_OFFSET) {               \
                __start___ex_table = .;                                 \
                KEEP(*(__ex_table))                                     \
                __stop___ex_table = .;                                  \
        }

 


Exception 처리

다음 그림은 커널 코드가 process space에 있는 한 페이지에 접근하다 exception이 발생한 경우를 보여준다.

  • 페이지를 access할 때 exception이 발생하는 경우 Data Abort 또는 Prefetch Abort 등의 exception이 발생하고 해당 exception vector로 jump를 하여 관련 함수를 수행한다.

exception-table-1

 

search_exception_tables()

kernel/extable.c

/* Given an address, look for it in the exception tables. */
const struct exception_table_entry *search_exception_tables(unsigned long addr)
{
        const struct exception_table_entry *e;

        e = search_kernel_exception_table(addr);
        if (!e)
                e = search_module_extables(addr);
        return e;
}

Main exception table과 전체 모듈에 있는 exception table의 insn 가상주소가 인수 addr와 같은 경우 해당 엔트리를 반환하고 검색되지 않는 경우 null을 리턴한다.

 

search_kernel_exception_table()

lib/extable.c

/* Given an address, look for it in the kernel exception table */
const
struct exception_table_entry *search_kernel_exception_table(unsigned long addr)
{
        return search_extable(__start___ex_table,
                              __stop___ex_table - __start___ex_table, addr);
}

메인 커널에 위치한 exception table을 대상으로 가상 주소 @addr가 검색되는 경우 해당 엔트리를 반환한다. 그 외의 경우 null을 반환한다.

 

search_extable() – generic

lib/extable.c

/*
 * Search one exception table for an entry corresponding to the
 * given instruction address, and return the address of the entry,
 * or NULL if none is found.
 * We use a binary search, and thus we assume that the table is
 * already sorted.
 */
const struct exception_table_entry *
search_extable(const struct exception_table_entry *base,
               const size_t num,
               unsigned long value)
{
        return bsearch(&value, base, num,
                       sizeof(struct exception_table_entry), cmp_ex_search);
}

@base에 위치한 exception 테이블에서 가상 주소 @value를 검색하되 최대 @num 엔트리 수만큼 검색한다.

  • ARCH_HAS_SEARCH_EXTABLE을 사용하는 sparc 등의 아키텍처를 제외한 아키텍처들은 위의 generic 함수를 사용한다.

 

bsearch()

lib/bsearch.c

/*
 * bsearch - binary search an array of elements
 * @key: pointer to item being searched for
 * @base: pointer to first element to search
 * @num: number of elements
 * @size: size of each element
 * @cmp: pointer to comparison function
 *
 * This function does a binary search on the given array.  The
 * contents of the array should already be in ascending sorted order
 * under the provided comparison function.
 *
 * Note that the key need not have the same type as the elements in
 * the array, e.g. key could be a string and the comparison function
 * could compare the string with the struct's name field.  However, if
 * the key and elements in the array are of the same type, you can use
 * the same comparison function for both sort() and bsearch().
 */
void *bsearch(const void *key, const void *base, size_t num, size_t size,
              int (*cmp)(const void *key, const void *elt))
{
        const char *pivot;
        int result;

        while (num > 0) {
                pivot = base + (num >> 1) * size;
                result = cmp(key, pivot);

                if (result == 0)
                        return (void *)pivot;

                if (result > 0) {
                        base = pivot + size;
                        num--;
                }
                num >>= 1;
        }

        return NULL;
}
EXPORT_SYMBOL(bsearch);
NOKPROBE_SYMBOL(bsearch);

바이너리 검색을 수행한다.

 

search_module_extables()

kernel/module.c

/* Given an address, look for it in the module exception tables. */
const struct exception_table_entry *search_module_extables(unsigned long addr)
{
        const struct exception_table_entry *e = NULL;
        struct module *mod;

        preempt_disable();
        mod = __module_address(addr);
        if (!mod)
                goto out;

        if (!mod->num_exentries)
                goto out;

        e = search_extable(mod->extable,
                           mod->num_exentries,
                           addr);
out:
        preempt_enable();

        /*
         * Now, if we found one, we are running inside it now, hence
         * we cannot unload the module, hence no refcnt needed.
         */
        return e;
}

전체 모듈을 루프를 돌며 각각의 모듈에 있는 exception table의 insn 가상주소가 인수 addr와 같은 경우 해당 엔트리를 반환하고 검색되지 않는 경우 null을 리턴한다.

 


구조체 및 전역변수

exception_table_entry 구조체 – generic

include/asm-generic/extable.h

/*
 * The exception table consists of pairs of addresses: the first is the
 * address of an instruction that is allowed to fault, and the second is
 * the address at which the program should continue.  No registers are
 * modified, so it is entirely up to the continuation code to figure out
 * what to do.
 *
 * All the routines below use bits of fixup code that are out of line
 * with the main instruction path.  This means when everything is well,
 * we don't even have to jump over them.  Further, they do not intrude
 * on our cache or tlb entries.
 */

struct exception_table_entry
{
        unsigned long insn, fixup;
};
  • insn
    • process(user) space에 접근하는 커널 API의 가상 주소
  • fixup
    • 해당 API에 대한 예외 처리 코드를 가리키는 가상 주소

exception_table_entry 구조체 – ARM64

arch/arm64/include/asm/extable.h

struct exception_table_entry
{
        int insn, fixup;
};

ARM64의 경우 generic 코드와 다르게 unsigned long 대신 int를 사용하는 것을 알 수 있다.

 

fsr_info[] – ARM32

arch/arm/mm/fsr-2level.c

static struct fsr_info fsr_info[] = {
        /*
         * The following are the standard ARMv3 and ARMv4 aborts.  ARMv5
         * defines these to be "precise" aborts.
         */
        { do_bad,               SIGSEGV, 0,             "vector exception"                 },
        { do_bad,               SIGBUS,  BUS_ADRALN,    "alignment exception"              },
        { do_bad,               SIGKILL, 0,             "terminal exception"               },
        { do_bad,               SIGBUS,  BUS_ADRALN,    "alignment exception"              },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "external abort on linefetch"      },
        { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR,   "section translation fault"        },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "external abort on linefetch"      },
        { do_page_fault,        SIGSEGV, SEGV_MAPERR,   "page translation fault"           },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "external abort on non-linefetch"  },
        { do_bad,               SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "section domain fault"             },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "external abort on non-linefetch"  },
        { do_bad,               SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "page domain fault"                },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "external abort on translation"    },
        { do_sect_fault,        SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "section permission fault"         },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "external abort on translation"    },
        { do_page_fault,        SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "page permission fault"            },
        /*
         * The following are "imprecise" aborts, which are signalled by bit
         * 10 of the FSR, and may not be recoverable.  These are only
         * supported if the CPU abort handler supports bit 10.
         */
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 16"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 17"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 18"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 19"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "lock abort"                       }, /* xscale */
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 21"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  BUS_OBJERR,    "imprecise external abort"         }, /* xscale */              
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 23"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "dcache parity error"              }, /* xscale */              
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 25"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 26"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 27"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 28"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 29"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 30"                       },
        { do_bad,               SIGBUS,  0,             "unknown 31"                       },
};

exception이 발생했을 때 fault가 32개로 구분되며 해당 fault 핸들러 함수가 등록된다.

  • 3레벨 페이지 테이블을 사용하는 경우 arch/arm/mm/fsr-3level.c 파일을 참고한다.

 

fault_info[] – ARM64

arch/arm64/mm/fault.c

static const struct fault_info fault_info[] = {
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "ttbr address size fault"       },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 1 address size fault"    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 2 address size fault"    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 3 address size fault"    },
        { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR,   "level 0 translation fault"     },
        { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR,   "level 1 translation fault"     },
        { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR,   "level 2 translation fault"     },
        { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR,   "level 3 translation fault"     },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 8"                     },
        { do_page_fault,        SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "level 1 access flag fault"     },
        { do_page_fault,        SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "level 2 access flag fault"     },
        { do_page_fault,        SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "level 3 access flag fault"     },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 12"                    },
        { do_page_fault,        SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "level 1 permission fault"      },
        { do_page_fault,        SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "level 2 permission fault"      },
        { do_page_fault,        SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "level 3 permission fault"      },
        { do_sea,               SIGBUS,  BUS_OBJERR,    "synchronous external abort"    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 17"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 18"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 19"                    },
        { do_sea,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 0 (translation table walk)"      },
        { do_sea,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 1 (translation table walk)"      },
        { do_sea,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 2 (translation table walk)"      },
        { do_sea,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 3 (translation table walk)"      },
        { do_sea,               SIGBUS,  BUS_OBJERR,    "synchronous parity or ECC error" },    // RR
eserved when RAS is implemented
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 25"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 26"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 27"                    },
        { do_sea,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 0 synchronous parity error (translatii
on table walk)"     },      // Reserved when RAS is implemented
        { do_sea,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 1 synchronous parity error (translatii
on table walk)"     },      // Reserved when RAS is implemented
        { do_sea,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 2 synchronous parity error (translatii
on table walk)"     },      // Reserved when RAS is implemented
        { do_sea,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "level 3 synchronous parity error (translatii
on table walk)"     },      // Reserved when RAS is implemented
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 32"                    },
        { do_alignment_fault,   SIGBUS,  BUS_ADRALN,    "alignment fault"               },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 34"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 35"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 36"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 37"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 38"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 39"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 40"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 41"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 42"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 43"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 44"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 45"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 46"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 47"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "TLB conflict abort"            },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "Unsupported atomic hardware update fault"
    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 50"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 51"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "implementation fault (lockdown abort)" },
        { do_bad,               SIGBUS,  BUS_OBJERR,    "implementation fault (unsupported exclusivee
)" },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 54"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 55"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 56"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 57"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 58"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 59"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 60"                    },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "section domain fault"          },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "page domain fault"             },
        { do_bad,               SIGKILL, SI_KERNEL,     "unknown 63"                    },
};

 

참고

 

 

 

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