DragonOS/kernel/src/syscall/user_access.rs

//! 这个文件用于放置一些内核态访问用户态数据的函数

use core::{
    mem::size_of,
    num::NonZero,
    slice::{from_raw_parts, from_raw_parts_mut},
};

use alloc::{ffi::CString, vec::Vec};
use defer::defer;

use crate::{
    arch::MMArch,
    mm::{verify_area, MemoryManagementArch, VirtAddr},
};

use super::SystemError;

/// 清空用户空间指定范围内的数据
///
/// ## 参数
///
/// - `dest`：用户空间的目标地址
/// - `len`：要清空的数据长度
///
/// ## 返回值
///
/// 返回清空的数据长度
///
/// ## 错误
///
/// - `EFAULT`：目标地址不合法
pub unsafe fn clear_user(dest: VirtAddr, len: usize) -> Result<usize, SystemError> {
    verify_area(dest, len).map_err(|_| SystemError::EFAULT)?;

    let p = dest.data() as *mut u8;
    // 清空用户空间的数据
    p.write_bytes(0, len);
    return Ok(len);
}

pub unsafe fn copy_to_user(dest: VirtAddr, src: &[u8]) -> Result<usize, SystemError> {
    verify_area(dest, src.len()).map_err(|_| SystemError::EFAULT)?;
    MMArch::disable_kernel_wp();
    defer!({
        MMArch::enable_kernel_wp();
    });

    let p = dest.data() as *mut u8;
    // 拷贝数据
    p.copy_from_nonoverlapping(src.as_ptr(), src.len());
    return Ok(src.len());
}

/// 从用户空间拷贝数据到内核空间
pub unsafe fn copy_from_user(dst: &mut [u8], src: VirtAddr) -> Result<usize, SystemError> {
    verify_area(src, dst.len()).map_err(|_| SystemError::EFAULT)?;

    let src: &[u8] = core::slice::from_raw_parts(src.data() as *const u8, dst.len());
    // 拷贝数据
    dst.copy_from_slice(src);

    return Ok(dst.len());
}

/// 检查并从用户态拷贝一个 C 字符串。
///
/// 一旦遇到非法地址，就会返回错误
///
/// ## 参数
///
/// - `user`：用户态的 C 字符串指针
/// - `max_length`：最大拷贝长度
///
/// ## 返回值
///
/// 返回拷贝的 C 字符串
///
/// ## 错误
///
/// - `EFAULT`：用户态地址不合法
/// - `EINVAL`：字符串不是合法的 C 字符串
pub fn check_and_clone_cstr(
    user: *const u8,
    max_length: Option<usize>,
) -> Result<CString, SystemError> {
    if user.is_null() {
        return Err(SystemError::EFAULT);
    }

    // 从用户态读取，直到遇到空字符 '\0' 或者达到最大长度
    let mut buffer = Vec::new();
    for i in 0.. {
        if max_length.is_some() && max_length.as_ref().unwrap() <= &i {
            break;
        }

        let addr = unsafe { user.add(i) };
        let mut c = [0u8; 1];
        unsafe {
            copy_from_user(&mut c, VirtAddr::new(addr as usize))?;
        }
        if c[0] == 0 {
            break;
        }
        buffer.push(NonZero::new(c[0]).ok_or(SystemError::EINVAL)?);
    }

    let cstr = CString::from(buffer);

    return Ok(cstr);
}

/// 检查并从用户态拷贝一个 C 字符串数组
///
/// 一旦遇到空指针，就会停止拷贝. 一旦遇到非法地址，就会返回错误
/// ## 参数
///
/// - `user`：用户态的 C 字符串指针数组
///
/// ## 返回值
///
/// 返回拷贝的 C 字符串数组
///
/// ## 错误
///
/// - `EFAULT`：用户态地址不合法
pub fn check_and_clone_cstr_array(user: *const *const u8) -> Result<Vec<CString>, SystemError> {
    if user.is_null() {
        Ok(Vec::new())
    } else {
        // debug!("check_and_clone_cstr_array: {:p}\n", user);
        let mut buffer = Vec::new();
        for i in 0.. {
            let addr = unsafe { user.add(i) };
            let str_ptr: *const u8;
            // 读取这个地址的值（这个值也是一个指针）
            unsafe {
                let dst = [0usize; 1];
                let mut dst = core::mem::transmute::<[usize; 1], [u8; size_of::<usize>()]>(dst);
                copy_from_user(&mut dst, VirtAddr::new(addr as usize))?;
                let dst = core::mem::transmute::<[u8; size_of::<usize>()], [usize; 1]>(dst);
                str_ptr = dst[0] as *const u8;

                // debug!("str_ptr: {:p}, addr:{addr:?}\n", str_ptr);
            }

            if str_ptr.is_null() {
                break;
            }
            // 读取这个指针指向的字符串
            let string = check_and_clone_cstr(str_ptr, None)?;
            // 将字符串放入 buffer 中
            buffer.push(string);
        }
        return Ok(buffer);
    }
}

#[derive(Debug)]
pub struct UserBufferWriter<'a> {
    buffer: &'a mut [u8],
}

#[derive(Debug)]
pub struct UserBufferReader<'a> {
    buffer: &'a [u8],
}

#[allow(dead_code)]
impl UserBufferReader<'_> {
    /// 构造一个指向用户空间位置的BufferReader，为了兼容类似传入 *const u8 的情况，使用单独的泛型来进行初始化
    ///
    /// @param addr 用户空间指针
    /// @param len 缓冲区的字节长度
    /// @param frm_user 代表是否要检验地址来自用户空间
    /// @return 构造成功返回UserbufferReader实例，否则返回错误码
    ///
    pub fn new<U>(addr: *const U, len: usize, from_user: bool) -> Result<Self, SystemError> {
        if from_user && verify_area(VirtAddr::new(addr as usize), len).is_err() {
            return Err(SystemError::EFAULT);
        }
        return Ok(Self {
            buffer: unsafe { core::slice::from_raw_parts(addr as *const u8, len) },
        });
    }

    pub fn size(&self) -> usize {
        return self.buffer.len();
    }

    /// 从用户空间读取数据(到变量中)
    ///
    /// @param offset 字节偏移量
    /// @return 返回用户空间数据的切片(对单个结构体就返回长度为一的切片)
    ///
    pub fn read_from_user<T>(&self, offset: usize) -> Result<&[T], SystemError> {
        return self.convert_with_offset(self.buffer, offset);
    }
    /// 从用户空间读取一个指定偏移量的数据(到变量中)
    ///
    /// @param offset 字节偏移量
    /// @return 返回用户空间数据的引用
    ///    
    pub fn read_one_from_user<T>(&self, offset: usize) -> Result<&T, SystemError> {
        return self.convert_one_with_offset(self.buffer, offset);
    }

    /// 从用户空间拷贝数据(到指定地址中)
    ///
    /// @param dst 目标地址指针
    /// @return 拷贝成功的话返回拷贝的元素数量
    ///
    pub fn copy_from_user<T: core::marker::Copy>(
        &self,
        dst: &mut [T],
        offset: usize,
    ) -> Result<usize, SystemError> {
        let data = self.convert_with_offset(self.buffer, offset)?;
        dst.copy_from_slice(data);
        return Ok(dst.len());
    }

    /// 从用户空间拷贝数据(到指定地址中)
    ///
    /// @param dst 目标地址指针
    /// @return 拷贝成功的话返回拷贝的元素数量
    ///
    pub fn copy_one_from_user<T: core::marker::Copy>(
        &self,
        dst: &mut T,
        offset: usize,
    ) -> Result<(), SystemError> {
        let data = self.convert_one_with_offset::<T>(self.buffer, offset)?;
        dst.clone_from(data);
        return Ok(());
    }

    /// 把用户空间的数据转换成指定类型的切片
    ///
    /// ## 参数
    ///
    /// - `offset`：字节偏移量
    pub fn buffer<T>(&self, offset: usize) -> Result<&[T], SystemError> {
        self.convert_with_offset::<T>(self.buffer, offset)
            .map_err(|_| SystemError::EINVAL)
    }

    fn convert_with_offset<T>(&self, src: &[u8], offset: usize) -> Result<&[T], SystemError> {
        if offset >= src.len() {
            return Err(SystemError::EINVAL);
        }
        let byte_buffer: &[u8] = &src[offset..];
        if byte_buffer.len() % core::mem::size_of::<T>() != 0 || byte_buffer.is_empty() {
            return Err(SystemError::EINVAL);
        }

        let chunks = unsafe {
            from_raw_parts(
                byte_buffer.as_ptr() as *const T,
                byte_buffer.len() / core::mem::size_of::<T>(),
            )
        };
        return Ok(chunks);
    }

    fn convert_one_with_offset<T>(&self, src: &[u8], offset: usize) -> Result<&T, SystemError> {
        if offset + core::mem::size_of::<T>() > src.len() {
            return Err(SystemError::EINVAL);
        }
        let byte_buffer: &[u8] = &src[offset..offset + core::mem::size_of::<T>()];

        let chunks = unsafe { from_raw_parts(byte_buffer.as_ptr() as *const T, 1) };
        let data = &chunks[0];
        return Ok(data);
    }
}

#[allow(dead_code)]
impl<'a> UserBufferWriter<'a> {
    /// 构造一个指向用户空间位置的BufferWriter
    ///
    /// @param addr 用户空间指针
    /// @param len 缓冲区的字节长度
    /// @return 构造成功返回UserbufferWriter实例，否则返回错误码
    ///
    pub fn new<U>(addr: *mut U, len: usize, from_user: bool) -> Result<Self, SystemError> {
        if from_user && verify_area(VirtAddr::new(addr as usize), len).is_err() {
            return Err(SystemError::EFAULT);
        }
        return Ok(Self {
            buffer: unsafe { core::slice::from_raw_parts_mut(addr as *mut u8, len) },
        });
    }

    pub fn size(&self) -> usize {
        return self.buffer.len();
    }

    /// 从指定地址写入数据到用户空间
    ///
    /// @param data 要写入的数据地址
    /// @param offset 在UserBuffer中的字节偏移量
    /// @return 返回写入元素的数量
    ///
    pub fn copy_to_user<T: core::marker::Copy>(
        &'a mut self,
        src: &[T],
        offset: usize,
    ) -> Result<usize, SystemError> {
        let dst = Self::convert_with_offset(self.buffer, offset)?;
        dst.copy_from_slice(src);
        return Ok(src.len());
    }

    /// 从指定地址写入一个数据到用户空间
    ///
    /// @param data 要写入的数据地址
    /// @param offset 在UserBuffer中的字节偏移量
    /// @return Ok/Err
    ///
    pub fn copy_one_to_user<T: core::marker::Copy>(
        &'a mut self,
        src: &T,
        offset: usize,
    ) -> Result<(), SystemError> {
        let dst = Self::convert_one_with_offset::<T>(self.buffer, offset)?;
        dst.clone_from(src);
        return Ok(());
    }

    pub fn buffer<T>(&'a mut self, offset: usize) -> Result<&'a mut [T], SystemError> {
        Self::convert_with_offset::<T>(self.buffer, offset).map_err(|_| SystemError::EINVAL)
    }

    fn convert_with_offset<T>(src: &mut [u8], offset: usize) -> Result<&mut [T], SystemError> {
        if offset >= src.len() {
            return Err(SystemError::EINVAL);
        }
        let byte_buffer: &mut [u8] = &mut src[offset..];
        if byte_buffer.len() % core::mem::size_of::<T>() != 0 || byte_buffer.is_empty() {
            return Err(SystemError::EINVAL);
        }

        let chunks = unsafe {
            from_raw_parts_mut(
                byte_buffer.as_mut_ptr() as *mut T,
                byte_buffer.len() / core::mem::size_of::<T>(),
            )
        };
        return Ok(chunks);
    }

    fn convert_one_with_offset<T>(src: &mut [u8], offset: usize) -> Result<&mut T, SystemError> {
        if offset + core::mem::size_of::<T>() > src.len() {
            return Err(SystemError::EINVAL);
        }
        let byte_buffer: &mut [u8] = &mut src[offset..offset + core::mem::size_of::<T>()];

        let chunks = unsafe { from_raw_parts_mut(byte_buffer.as_mut_ptr() as *mut T, 1) };
        let data = &mut chunks[0];
        return Ok(data);
    }
}