Warning

In caso di dubbi sulla correttezza del contenuto di questa traduzione, l’unico riferimento valido è la documentazione ufficiale in inglese. Per maggiori informazioni consultate le avvertenze.

Note

Per leggere la documentazione originale in inglese: Documentation/kernel-hacking/hacking.rst

Original

Documentation/kernel-hacking/hacking.rst

Translator

Federico Vaga <federico.vaga@vaga.pv.it>

L’inaffidabile guida all’hacking del kernel Linux

Author

Rusty Russell

Introduzione

Benvenuto, gentile lettore, alla notevole ed inaffidabile guida all’hacking del kernel Linux ad opera di Rusty. Questo documento descrive le procedure più usate ed i concetti necessari per scrivere codice per il kernel: lo scopo è di fornire ai programmatori C più esperti un manuale di base per sviluppo. Eviterò dettagli implementativi: per questo abbiamo il codice, ed ignorerò intere parti di alcune procedure.

Prima di leggere questa guida, sappiate che non ho mai voluto scriverla, essendo esageratamente sotto qualificato, ma ho sempre voluto leggere qualcosa di simile, e quindi questa era l’unica via. Spero che possa crescere e diventare un compendio di buone pratiche, punti di partenza e generiche informazioni.

Gli attori

In qualsiasi momento ognuna delle CPU di un sistema può essere:

  • non associata ad alcun processo, servendo un’interruzione hardware;

  • non associata ad alcun processo, servendo un softirq o tasklet;

  • in esecuzione nello spazio kernel, associata ad un processo (contesto utente);

  • in esecuzione di un processo nello spazio utente;

Esiste un ordine fra questi casi. Gli ultimi due possono avvicendarsi (preempt) l’un l’altro, ma a parte questo esiste una gerarchia rigida: ognuno di questi può avvicendarsi solo ad uno di quelli sottostanti. Per esempio, mentre un softirq è in esecuzione su d’una CPU, nessun altro softirq può avvicendarsi nell’esecuzione, ma un’interruzione hardware può. Ciò nonostante, le altre CPU del sistema operano indipendentemente.

Più avanti vedremo alcuni modi in cui dal contesto utente è possibile bloccare le interruzioni, così da impedirne davvero il diritto di prelazione.

Contesto utente

Ci si trova nel contesto utente quando si arriva da una chiamata di sistema od altre eccezioni: come nello spazio utente, altre procedure più importanti, o le interruzioni, possono far valere il proprio diritto di prelazione sul vostro processo. Potete sospendere l’esecuzione chiamando schedule().

Note

Si è sempre in contesto utente quando un modulo viene caricato o rimosso, e durante le operazioni nello strato dei dispositivi a blocchi (block layer).

Nel contesto utente, il puntatore current (il quale indica il processo al momento in esecuzione) è valido, e in_interrupt() (include/linux/preempt.h) è falsa.

Warning

Attenzione che se avete la prelazione o i softirq disabilitati (vedere di seguito), in_interrupt() ritornerà un falso positivo.

Interruzioni hardware (Hard IRQs)

Temporizzatori, schede di rete e tastiere sono esempi di vero hardware che possono produrre interruzioni in un qualsiasi momento. Il kernel esegue i gestori d’interruzione che prestano un servizio all’hardware. Il kernel garantisce che questi gestori non vengano mai interrotti: se una stessa interruzione arriva, questa verrà accodata (o scartata). Dato che durante la loro esecuzione le interruzioni vengono disabilitate, i gestori d’interruzioni devono essere veloci: spesso si limitano esclusivamente a notificare la presa in carico dell’interruzione, programmare una ‘interruzione software’ per l’esecuzione e quindi terminare.

Potete dire d’essere in una interruzione hardware perché in_irq() ritorna vero.

Warning

Attenzione, questa ritornerà un falso positivo se le interruzioni sono disabilitate (vedere di seguito).

Contesto d’interruzione software: softirq e tasklet

Quando una chiamata di sistema sta per tornare allo spazio utente, oppure un gestore d’interruzioni termina, qualsiasi ‘interruzione software’ marcata come pendente (solitamente da un’interruzione hardware) viene eseguita (kernel/softirq.c).

La maggior parte del lavoro utile alla gestione di un’interruzione avviene qui. All’inizio della transizione ai sistemi multiprocessore, c’erano solo i cosiddetti ‘bottom half’ (BH), i quali non traevano alcun vantaggio da questi sistemi. Non appena abbandonammo i computer raffazzonati con fiammiferi e cicche, abbandonammo anche questa limitazione e migrammo alle interruzioni software ‘softirqs’.

Il file include/linux/interrupt.h elenca i differenti tipi di ‘softirq’. Un tipo di softirq molto importante è il timer (include/linux/timer.h): potete programmarlo per far si che esegua funzioni dopo un determinato periodo di tempo.

Dato che i softirq possono essere eseguiti simultaneamente su più di un processore, spesso diventa estenuante l’averci a che fare. Per questa ragione, i tasklet (include/linux/interrupt.h) vengo usati più di frequente: possono essere registrati dinamicamente (il che significa che potete averne quanti ne volete), e garantiscono che un qualsiasi tasklet verrà eseguito solo su un processore alla volta, sebbene diversi tasklet possono essere eseguiti simultaneamente.

Warning

Il nome ‘tasklet’ è ingannevole: non hanno niente a che fare con i ‘processi’ (‘tasks’), e probabilmente hanno più a che vedere con qualche pessima vodka che Alexey Kuznetsov si fece a quel tempo.

Potete determinate se siete in un softirq (o tasklet) utilizzando la macro in_softirq() (include/linux/preempt.h).

Warning

State attenti che questa macro ritornerà un falso positivo se botton half lock è bloccato.

Alcune regole basilari

Nessuna protezione della memoria

Se corrompete la memoria, che sia in contesto utente o d’interruzione, la macchina si pianterà. Siete sicuri che quello che volete fare non possa essere fatto nello spazio utente?

Nessun numero in virgola mobile o MMX

Il contesto della FPU non è salvato; anche se siete in contesto utente lo stato dell’FPU probabilmente non corrisponde a quello del processo corrente: vi incasinerete con lo stato di qualche altro processo. Se volete davvero usare la virgola mobile, allora dovrete salvare e recuperare lo stato dell’FPU (ed evitare cambi di contesto). Generalmente è una cattiva idea; usate l’aritmetica a virgola fissa.

Un limite rigido dello stack

A seconda della configurazione del kernel lo stack è fra 3K e 6K per la maggior parte delle architetture a 32-bit; è di 14K per la maggior parte di quelle a 64-bit; e spesso è condiviso con le interruzioni, per cui non si può usare. Evitare profonde ricorsioni ad enormi array locali nello stack (allocateli dinamicamente).

Il kernel Linux è portabile

Quindi mantenetelo tale. Il vostro codice dovrebbe essere a 64-bit ed indipendente dall’ordine dei byte (endianess) di un processore. Inoltre, dovreste minimizzare il codice specifico per un processore; per esempio il codice assembly dovrebbe essere incapsulato in modo pulito e minimizzato per facilitarne la migrazione. Generalmente questo codice dovrebbe essere limitato alla parte di kernel specifica per un’architettura.

ioctl: non scrivere nuove chiamate di sistema

Una chiamata di sistema, generalmente, è scritta così:

asmlinkage long sys_mycall(int arg)
{
        return 0;
}

Primo, nella maggior parte dei casi non volete creare nuove chiamate di sistema. Create un dispositivo a caratteri ed implementate l’appropriata chiamata ioctl. Questo meccanismo è molto più flessibile delle chiamate di sistema: esso non dev’essere dichiarato in tutte le architetture nei file include/asm/unistd.h e arch/kernel/entry.S; inoltre, è improbabile che questo venga accettato da Linus.

Se tutto quello che il vostro codice fa è leggere o scrivere alcuni parametri, considerate l’implementazione di un’interfaccia sysfs().

All’interno di una ioctl vi trovate nel contesto utente di un processo. Quando avviene un errore dovete ritornare un valore negativo di errno (consultate include/uapi/asm-generic/errno-base.h, include/uapi/asm-generic/errno.h e include/linux/errno.h), altrimenti ritornate 0.

Dopo aver dormito dovreste verificare se ci sono stati dei segnali: il modo Unix/Linux di gestire un segnale è di uscire temporaneamente dalla chiamata di sistema con l’errore -ERESTARTSYS. La chiamata di sistema ritornerà al contesto utente, eseguirà il gestore del segnale e poi la vostra chiamata di sistema riprenderà (a meno che l’utente non l’abbia disabilitata). Quindi, dovreste essere pronti per continuare l’esecuzione, per esempio nel mezzo della manipolazione di una struttura dati.

if (signal_pending(current))
        return -ERESTARTSYS;

Se dovete eseguire dei calcoli molto lunghi: pensate allo spazio utente. Se davvero volete farlo nel kernel ricordatevi di verificare periodicamente se dovete lasciare il processore (ricordatevi che, per ogni processore, c’è un sistema multi-processo senza diritto di prelazione). Esempio:

cond_resched(); /* Will sleep */

Una breve nota sulla progettazione delle interfacce: il motto dei sistemi UNIX è “fornite meccanismi e non politiche”

La ricetta per uno stallo

Non è permesso invocare una procedura che potrebbe dormire, fanno eccezione i seguenti casi:

  • Siete in un contesto utente.

  • Non trattenete alcun spinlock.

  • Avete abilitato le interruzioni (in realtà, Andy Kleen dice che lo schedulatore le abiliterà per voi, ma probabilmente questo non è quello che volete).

Da tener presente che alcune funzioni potrebbero dormire implicitamente: le più comuni sono quelle per l’accesso allo spazio utente (*_user) e quelle per l’allocazione della memoria senza l’opzione GFP_ATOMIC

Dovreste sempre compilare il kernel con l’opzione CONFIG_DEBUG_ATOMIC_SLEEP attiva, questa vi avviserà se infrangete una di queste regole. Se infrangete le regole, allora potreste bloccare il vostro scatolotto.

Veramente.

Alcune delle procedure più comuni

printk()

Definita in include/linux/printk.h

printk() fornisce messaggi alla console, dmesg, e al demone syslog. Essa è utile per il debugging o per la notifica di errori; può essere utilizzata anche all’interno del contesto d’interruzione, ma usatela con cautela: una macchina che ha la propria console inondata da messaggi diventa inutilizzabile. La funzione utilizza un formato stringa quasi compatibile con la printf ANSI C, e la concatenazione di una stringa C come primo argomento per indicare la “priorità”:

printk(KERN_INFO "i = %u\n", i);

Consultate include/linux/kern_levels.h per gli altri valori KERN_; questi sono interpretati da syslog come livelli. Un caso speciale: per stampare un indirizzo IP usate:

__be32 ipaddress;
printk(KERN_INFO "my ip: %pI4\n", &ipaddress);

printk() utilizza un buffer interno di 1K e non s’accorge di eventuali sforamenti. Accertatevi che vi basti.

Note

Saprete di essere un vero hacker del kernel quando inizierete a digitare nei vostri programmi utenti le printf come se fossero printk :)

Note

Un’altra nota a parte: la versione originale di Unix 6 aveva un commento sopra alla funzione printf: “Printf non dovrebbe essere usata per il chiacchiericcio”. Dovreste seguire questo consiglio.

copy_to_user() / copy_from_user() / get_user() / put_user()

Definite in include/linux/uaccess.h / asm/uaccess.h

[DORMONO]

put_user() e get_user() sono usate per ricevere ed impostare singoli valori (come int, char, o long) da e verso lo spazio utente. Un puntatore nello spazio utente non dovrebbe mai essere dereferenziato: i dati dovrebbero essere copiati usando suddette procedure. Entrambe ritornano -EFAULT oppure 0.

copy_to_user() e copy_from_user() sono più generiche: esse copiano una quantità arbitraria di dati da e verso lo spazio utente.

Warning

Al contrario di:c:func:put_user() e get_user(), queste funzioni ritornano la quantità di dati copiati (0 è comunque un successo).

[Sì, questa stupida interfaccia mi imbarazza. La battaglia torna in auge anno dopo anno. –RR]

Le funzioni potrebbero dormire implicitamente. Queste non dovrebbero mai essere invocate fuori dal contesto utente (non ha senso), con le interruzioni disabilitate, o con uno spinlock trattenuto.

kmalloc()/kfree()

Definite in include/linux/slab.h

[POTREBBERO DORMIRE: LEGGI SOTTO]

Queste procedure sono utilizzate per la richiesta dinamica di un puntatore ad un pezzo di memoria allineato, esattamente come malloc e free nello spazio utente, ma kmalloc() ha un argomento aggiuntivo per indicare alcune opzioni. Le opzioni più importanti sono:

GFP_KERNEL

Potrebbe dormire per librarare della memoria. L’opzione fornisce il modo più affidabile per allocare memoria, ma il suo uso è strettamente limitato allo spazio utente.

GFP_ATOMIC

Non dorme. Meno affidabile di GFP_KERNEL, ma può essere usata in un contesto d’interruzione. Dovreste avere davvero una buona strategia per la gestione degli errori in caso di mancanza di memoria.

GFP_DMA

Alloca memoria per il DMA sul bus ISA nello spazio d’indirizzamento inferiore ai 16MB. Se non sapete cos’è allora non vi serve. Molto inaffidabile.

Se vedete un messaggio d’avviso per una funzione dormiente che viene chiamata da un contesto errato, allora probabilmente avete usato una funzione d’allocazione dormiente da un contesto d’interruzione senza GFP_ATOMIC. Dovreste correggerlo. Sbrigatevi, non cincischiate.

Se allocate almeno PAGE_SIZE``(``asm/page.h o asm/page_types.h) byte, considerate l’uso di __get_free_pages() (include/linux/gfp.h). Accetta un argomento che definisce l’ordine (0 per per la dimensione di una pagine, 1 per una doppia pagina, 2 per quattro pagine, eccetra) e le stesse opzioni d’allocazione viste precedentemente.

Se state allocando un numero di byte notevolemnte superiore ad una pagina potete usare vmalloc(). Essa allocherà memoria virtuale all’interno dello spazio kernel. Questo è un blocco di memoria fisica non contiguo, ma la MMU vi darà l’impressione che lo sia (quindi, sarà contiguo solo dal punto di vista dei processori, non dal punto di vista dei driver dei dispositivi esterni). Se per qualche strana ragione avete davvero bisogno di una grossa quantità di memoria fisica contigua, avete un problema: Linux non ha un buon supporto per questo caso d’uso perché, dopo un po’ di tempo, la frammentazione della memoria rende l’operazione difficile. Il modo migliore per allocare un simile blocco all’inizio dell’avvio del sistema è attraverso la procedura alloc_bootmem().

Prima di inventare la vostra cache per gli oggetti più usati, considerate l’uso di una cache slab disponibile in include/linux/slab.h.

current()

Definita in include/asm/current.h

Questa variabile globale (in realtà una macro) contiene un puntatore alla struttura del processo corrente, quindi è valido solo dal contesto utente. Per esempio, quando un processo esegue una chiamata di sistema, questo punterà alla struttura dati del processo chiamate. Nel contesto d’interruzione in suo valore non è NULL.

mdelay()/udelay()

Definite in include/asm/delay.h / include/linux/delay.h

Le funzioni udelay() e ndelay() possono essere utilizzate per brevi pause. Non usate grandi valori perché rischiate d’avere un overflow - in questo contesto la funzione mdelay() è utile, oppure considerate msleep().

cpu_to_be32()/be32_to_cpu()/cpu_to_le32()/le32_to_cpu()

Definite in include/asm/byteorder.h

La famiglia di funzioni cpu_to_be32() (dove “32” può essere sostituito da 64 o 16, e “be” con “le”) forniscono un modo generico per fare conversioni sull’ordine dei byte (endianess): esse ritornano il valore convertito. Tutte le varianti supportano anche il processo inverso: be32_to_cpu(), eccetera.

Queste funzioni hanno principalmente due varianti: la variante per puntatori, come cpu_to_be32p(), che prende un puntatore ad un tipo, e ritorna il valore convertito. L'altra variante per la famiglia di conversioni "in-situ", come :c:func:`cpu_to_be32s(), che convertono il valore puntato da un puntatore, e ritornano void.

local_irq_save()/local_irq_restore()

Definite in include/linux/irqflags.h

Queste funzioni abilitano e disabilitano le interruzioni hardware sul processore locale. Entrambe sono rientranti; esse salvano lo stato precedente nel proprio argomento unsigned long flags. Se sapete che le interruzioni sono abilite, potete semplicemente utilizzare local_irq_disable() e local_irq_enable().

local_bh_disable()/local_bh_enable()

Definite in include/linux/bottom_half.h

Queste funzioni abilitano e disabilitano le interruzioni software sul processore locale. Entrambe sono rientranti; se le interruzioni software erano già state disabilitate in precedenza, rimarranno disabilitate anche dopo aver invocato questa coppia di funzioni. Lo scopo è di prevenire l’esecuzione di softirq e tasklet sul processore attuale.

smp_processor_id()

Definita in include/linux/smp.h

get_cpu() nega il diritto di prelazione (quindi non potete essere spostati su un altro processore all’improvviso) e ritorna il numero del processore attuale, fra 0 e NR_CPUS. Da notare che non è detto che la numerazione dei processori sia continua. Quando avete terminato, ritornate allo stato precedente con put_cpu().

Se sapete che non dovete essere interrotti da altri processi (per esempio, se siete in un contesto d’interruzione, o il diritto di prelazione è disabilitato) potete utilizzare smp_processor_id().

__init/__exit/__initdata

Definite in include/linux/init.h

Dopo l’avvio, il kernel libera una sezione speciale; le funzioni marcate con __init e le strutture dati marcate con __initdata vengono eliminate dopo il completamento dell’avvio: in modo simile i moduli eliminano questa memoria dopo l’inizializzazione. __exit viene utilizzato per dichiarare che una funzione verrà utilizzata solo in fase di rimozione: la detta funzione verrà eliminata quando il file che la contiene non è compilato come modulo. Guardate l’header file per informazioni. Da notare che non ha senso avere una funzione marcata come __init e al tempo stesso esportata ai moduli utilizzando EXPORT_SYMBOL() o EXPORT_SYMBOL_GPL() - non funzionerà.

__initcall()/module_init()

Definite in include/linux/init.h / include/linux/module.h

Molte parti del kernel funzionano bene come moduli (componenti del kernel caricabili dinamicamente). L’utilizzo delle macro module_init() e module_exit() semplifica la scrittura di codice che può funzionare sia come modulo, sia come parte del kernel, senza l’ausilio di #ifdef.

La macro module_init() definisce quale funzione dev’essere chiamata quando il modulo viene inserito (se il file è stato compilato come tale), o in fase di avvio : se il file non è stato compilato come modulo la macro module_init() diventa equivalente a __initcall(), la quale, tramite qualche magia del linker, s’assicura che la funzione venga chiamata durante l’avvio.

La funzione può ritornare un numero d’errore negativo per scatenare un fallimento del caricamento (sfortunatamente, questo non ha effetto se il modulo è compilato come parte integrante del kernel). Questa funzione è chiamata in contesto utente con le interruzioni abilitate, quindi potrebbe dormire.

module_exit()

Definita in include/linux/module.h

Questa macro definisce la funzione che dev’essere chiamata al momento della rimozione (o mai, nel caso in cui il file sia parte integrante del kernel). Essa verrà chiamata solo quando il contatore d’uso del modulo raggiunge lo zero. Questa funzione può anche dormire, ma non può fallire: tutto dev’essere ripulito prima che la funzione ritorni.

Da notare che questa macro è opzionale: se non presente, il modulo non sarà removibile (a meno che non usiate ‘rmmod -f’ ).

try_module_get()/module_put()

Definite in include/linux/module.h

Queste funzioni maneggiano il contatore d’uso del modulo per proteggerlo dalla rimozione (in aggiunta, un modulo non può essere rimosso se un altro modulo utilizzo uno dei sui simboli esportati: vedere di seguito). Prima di eseguire codice del modulo, dovreste chiamare try_module_get() su quel modulo: se fallisce significa che il modulo è stato rimosso e dovete agire come se non fosse presente. Altrimenti, potete accedere al modulo in sicurezza, e chiamare module_put() quando avete finito.

La maggior parte delle strutture registrabili hanno un campo owner (proprietario), come nella struttura struct file_operations. Impostate questo campo al valore della macro THIS_MODULE.

Code d’attesa include/linux/wait.h

[DORMONO]

Una coda d’attesa è usata per aspettare che qualcuno vi attivi quando una certa condizione s’avvera. Per evitare corse critiche, devono essere usate con cautela. Dichiarate una wait_queue_head_t, e poi i processi che vogliono attendere il verificarsi di quella condizione dichiareranno una wait_queue_entry_t facendo riferimento a loro stessi, poi metteranno questa in coda.

Dichiarazione

Potere dichiarare una wait_queue_head_t utilizzando la macro DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD() oppure utilizzando la procedura init_waitqueue_head() nel vostro codice d’inizializzazione.

Accodamento

Mettersi in una coda d’attesa è piuttosto complesso, perché dovete mettervi in coda prima di verificare la condizione. Esiste una macro a questo scopo: wait_event_interruptible() (include/linux/wait.h). Il primo argomento è la testa della coda d’attesa, e il secondo è un’espressione che dev’essere valutata; la macro ritorna 0 quando questa espressione è vera, altrimenti -ERESTARTSYS se è stato ricevuto un segnale. La versione wait_event() ignora i segnali.

Svegliare una procedura in coda

Chiamate wake_up() (include/linux/wait.h); questa attiverà tutti i processi in coda. Ad eccezione se uno di questi è impostato come TASK_EXCLUSIVE, in questo caso i rimanenti non verranno svegliati. Nello stesso header file esistono altre varianti di questa funzione.

Operazioni atomiche

Certe operazioni sono garantite come atomiche su tutte le piattaforme. Il primo gruppo di operazioni utilizza atomic_t (include/asm/atomic.h); questo contiene un intero con segno (minimo 32bit), e dovete utilizzare queste funzione per modificare o leggere variabili di tipo atomic_t. atomic_read() e atomic_set() leggono ed impostano il contatore, atomic_add(), atomic_sub(), atomic_inc(), atomic_dec(), e atomic_dec_and_test() (ritorna vero se raggiunge zero dopo essere stata decrementata).

Sì. Ritorna vero (ovvero != 0) se la variabile atomica è zero.

Da notare che queste funzioni sono più lente rispetto alla normale aritmetica, e quindi non dovrebbero essere usate a sproposito.

Il secondo gruppo di operazioni atomiche sono definite in include/linux/bitops.h ed agiscono sui bit d’una variabile di tipo unsigned long. Queste operazioni prendono come argomento un puntatore alla variabile, e un numero di bit dove 0 è quello meno significativo. set_bit(), clear_bit() e change_bit() impostano, cancellano, ed invertono il bit indicato. test_and_set_bit(), test_and_clear_bit() e test_and_change_bit() fanno la stessa cosa, ad eccezione che ritornano vero se il bit era impostato; queste sono particolarmente utili quando si vuole impostare atomicamente dei flag.

Con queste operazioni è possibile utilizzare indici di bit che eccedono il valore BITS_PER_LONG. Il comportamento è strano sulle piattaforme big-endian quindi è meglio evitarlo.

Simboli

All’interno del kernel, si seguono le normali regole del linker (ovvero, a meno che un simbolo non venga dichiarato con visibilita limitata ad un file con la parola chiave static, esso può essere utilizzato in qualsiasi parte del kernel). Nonostante ciò, per i moduli, esiste una tabella dei simboli esportati che limita i punti di accesso al kernel. Anche i moduli possono esportare simboli.

EXPORT_SYMBOL()

Definita in include/linux/export.h

Questo è il classico metodo per esportare un simbolo: i moduli caricati dinamicamente potranno utilizzare normalmente il simbolo.

EXPORT_SYMBOL_GPL()

Definita in include/linux/export.h

Essa è simile a EXPORT_SYMBOL() ad eccezione del fatto che i simboli esportati con EXPORT_SYMBOL_GPL() possono essere utilizzati solo dai moduli che hanno dichiarato una licenza compatibile con la GPL attraverso MODULE_LICENSE(). Questo implica che la funzione esportata è considerata interna, e non una vera e propria interfaccia. Alcuni manutentori e sviluppatori potrebbero comunque richiedere EXPORT_SYMBOL_GPL() quando si aggiungono nuove funzionalità o interfacce.

EXPORT_SYMBOL_NS()

Definita in include/linux/export.h

Questa è una variate di EXPORT_SYMBOL() che permette di specificare uno spazio dei nomi. Lo spazio dei nomi è documentato in Spazio dei nomi dei simboli

EXPORT_SYMBOL_NS_GPL()

Definita in include/linux/export.h

Questa è una variate di EXPORT_SYMBOL_GPL() che permette di specificare uno spazio dei nomi. Lo spazio dei nomi è documentato in Spazio dei nomi dei simboli

Procedure e convenzioni

Liste doppiamente concatenate include/linux/list.h

Un tempo negli header del kernel c’erano tre gruppi di funzioni per le liste concatenate, ma questa è stata la vincente. Se non avete particolari necessità per una semplice lista concatenata, allora questa è una buona scelta.

In particolare, list_for_each_entry() è utile.

Convenzione dei valori di ritorno

Per codice chiamato in contesto utente, è molto comune sfidare le convenzioni C e ritornare 0 in caso di successo, ed un codice di errore negativo (eg. -EFAULT) nei casi fallimentari. Questo potrebbe essere controintuitivo a prima vista, ma è abbastanza diffuso nel kernel.

Utilizzate ERR_PTR() (include/linux/err.h) per codificare un numero d’errore negativo in un puntatore, e IS_ERR() e PTR_ERR() per recuperarlo di nuovo: così si evita d’avere un puntatore dedicato per il numero d’errore. Da brividi, ma in senso positivo.

Rompere la compilazione

Linus e gli altri sviluppatori a volte cambiano i nomi delle funzioni e delle strutture nei kernel in sviluppo; questo non è solo per tenere tutti sulle spine: questo riflette cambiamenti fondamentati (eg. la funzione non può più essere chiamata con le funzioni attive, o fa controlli aggiuntivi, o non fa più controlli che venivano fatti in precedenza). Solitamente a questo s’accompagna un’adeguata e completa nota sulla lista di discussone linux-kernel; cercate negli archivi. Solitamente eseguire una semplice sostituzione su tutto un file rendere le cose peggiori.

Inizializzazione dei campi d’una struttura

Il metodo preferito per l’inizializzazione delle strutture è quello di utilizzare gli inizializzatori designati, come definiti nello standard ISO C99, eg:

static struct block_device_operations opt_fops = {
        .open               = opt_open,
        .release            = opt_release,
        .ioctl              = opt_ioctl,
        .check_media_change = opt_media_change,
};

Questo rende più facile la ricerca con grep, e rende più chiaro quale campo viene impostato. Dovreste fare così perché si mostra meglio.

Estensioni GNU

Le estensioni GNU sono esplicitamente permesse nel kernel Linux. Da notare che alcune delle più complesse non sono ben supportate, per via dello scarso sviluppo, ma le seguenti sono da considerarsi la norma (per maggiori dettagli, leggete la sezione “C Extensions” nella pagina info di GCC - Sì, davvero la pagina info, la pagina man è solo un breve riassunto delle cose nella pagina info).

  • Funzioni inline

  • Istruzioni in espressioni (ie. il costrutto ({ and }) ).

  • Dichiarate attributi di una funzione / variabile / tipo (__attribute__)

  • typeof

  • Array con lunghezza zero

  • Macro varargs

  • Aritmentica sui puntatori void

  • Inizializzatori non costanti

  • Istruzioni assembler (non al di fuori di ‘arch/’ e ‘include/asm/’)

  • Nomi delle funzioni come stringhe (__func__).

  • __builtin_constant_p()

Siate sospettosi quando utilizzate long long nel kernel, il codice generato da gcc è orribile ed anche peggio: le divisioni e le moltiplicazioni non funzionano sulle piattaforme i386 perché le rispettive funzioni di runtime di GCC non sono incluse nell’ambiente del kernel.

C++

Solitamente utilizzare il C++ nel kernel è una cattiva idea perché il kernel non fornisce il necessario ambiente di runtime e gli header file non sono stati verificati. Rimane comunque possibile, ma non consigliato. Se davvero volete usarlo, almeno evitate le eccezioni.

NUMif

Viene generalmente considerato più pulito l’uso delle macro negli header file (o all’inizio dei file .c) per astrarre funzioni piuttosto che utlizzare l’istruzione di pre-processore `#if’ all’interno del codice sorgente.

Mettere le vostre cose nel kernel

Al fine d’avere le vostre cose in ordine per l’inclusione ufficiale, o anche per avere patch pulite, c’è del lavoro amministrativo da fare:

  • Trovare di chi è lo stagno in cui state pisciando. Guardare in cima ai file sorgenti, all’interno del file MAINTAINERS, ed alla fine di tutti nel file CREDITS. Dovreste coordinarvi con queste persone per evitare di duplicare gli sforzi, o provare qualcosa che è già stato rigettato.

    Assicuratevi di mettere il vostro nome ed indirizzo email in cima a tutti i file che create o che mangeggiate significativamente. Questo è il primo posto dove le persone guarderanno quando troveranno un baco, o quando loro vorranno fare una modifica.

  • Solitamente vorrete un’opzione di configurazione per la vostra modifica al kernel. Modificate Kconfig nella cartella giusta. Il linguaggio Config è facile con copia ed incolla, e c’è una completa documentazione nel file Documentation/kbuild/kconfig-language.rst.

    Nella descrizione della vostra opzione, assicuratevi di parlare sia agli utenti esperti sia agli utente che non sanno nulla del vostro lavoro. Menzionate qui le incompatibilità ed i problemi. Chiaramente la descrizione deve terminare con “if in doubt, say N” (se siete in dubbio, dite N) (oppure, occasionalmente, `Y’); questo è per le persone che non hanno idea di che cosa voi stiate parlando.

  • Modificate il file Makefile: le variabili CONFIG sono esportate qui, quindi potete solitamente aggiungere una riga come la seguete “obj-$(CONFIG_xxx) += xxx.o”. La sintassi è documentata nel file Documentation/kbuild/makefiles.rst.

  • Aggiungete voi stessi in CREDITS se avete fatto qualcosa di notevole, solitamente qualcosa che supera il singolo file (comunque il vostro nome dovrebbe essere all’inizio dei file sorgenti). MAINTAINERS significa che volete essere consultati quando vengono fatte delle modifiche ad un sottosistema, e quando ci sono dei bachi; questo implica molto di più di un semplice impegno su una parte del codice.

  • Infine, non dimenticatevi di leggere Documentation/process/submitting-patches.rst e possibilmente anche Documentation/process/submitting-drivers.rst.

Trucchetti del kernel

Dopo una rapida occhiata al codice, questi sono i preferiti. Sentitevi liberi di aggiungerne altri.

arch/x86/include/asm/delay.h:

#define ndelay(n) (__builtin_constant_p(n) ? \
        ((n) > 20000 ? __bad_ndelay() : __const_udelay((n) * 5ul)) : \
        __ndelay(n))

include/linux/fs.h:

/*
 * Kernel pointers have redundant information, so we can use a
 * scheme where we can return either an error code or a dentry
 * pointer with the same return value.
 *
 * This should be a per-architecture thing, to allow different
 * error and pointer decisions.
 */
 #define ERR_PTR(err)    ((void *)((long)(err)))
 #define PTR_ERR(ptr)    ((long)(ptr))
 #define IS_ERR(ptr)     ((unsigned long)(ptr) > (unsigned long)(-1000))

arch/x86/include/asm/uaccess_32.h::

#define copy_to_user(to,from,n)                         \
        (__builtin_constant_p(n) ?                      \
         __constant_copy_to_user((to),(from),(n)) :     \
         __generic_copy_to_user((to),(from),(n)))

arch/sparc/kernel/head.S::

/*
 * Sun people can't spell worth damn. "compatability" indeed.
 * At least we *know* we can't spell, and use a spell-checker.
 */

/* Uh, actually Linus it is I who cannot spell. Too much murky
 * Sparc assembly will do this to ya.
 */
C_LABEL(cputypvar):
        .asciz "compatibility"

/* Tested on SS-5, SS-10. Probably someone at Sun applied a spell-checker. */
        .align 4
C_LABEL(cputypvar_sun4m):
        .asciz "compatible"

arch/sparc/lib/checksum.S::

/* Sun, you just can't beat me, you just can't.  Stop trying,
 * give up.  I'm serious, I am going to kick the living shit
 * out of you, game over, lights out.
 */

Ringraziamenti

Ringrazio Andi Kleen per le sue idee, le risposte alle mie domande, le correzioni dei miei errori, l’aggiunta di contenuti, eccetera. Philipp Rumpf per l’ortografia e per aver reso più chiaro il testo, e per alcuni eccellenti punti tutt’altro che ovvi. Werner Almesberger per avermi fornito un ottimo riassunto di disable_irq(), e Jes Sorensen e Andrea Arcangeli per le precisazioni. Michael Elizabeth Chastain per aver verificato ed aggiunto la sezione configurazione. Telsa Gwynne per avermi insegnato DocBook.