一文细说vDSO机制原理

news2025/1/11 0:23:19

1. 什么是 vDSO

众所周知，操作系统为我们管理硬件资源，并以系统调用的方式对用户进程提供 API，但是 syscall 很慢，涉及陷入内核以及上下文切换。对于少量频繁调用的系统调用（比如获取当期系统时间）来说，是否可以某种安全的方式开放到用户空间，让用户直接访问而不需要经过 syscall 呢？

vDSO 就是用来解决这个问题的。

vDSO 全称为 virtual dynamic shared object，dynamic shared object 这个名词大家应该有所耳闻，就是 Linux 下的动态库的全称，而 virtual 表明，这个动态库是通过某种手段虚拟出来的，并不真正存在于 Linux 文件系统中。

要验证这点也很简单，只需要通过 ldd 命令，查看一些可执行文件所依赖的动态库即可，

$ldd /bin/ls   
    linux-vdso.so.1 (0x00007ffe4e4ce000)
    libcap.so.2 => /usr/lib/libcap.so.2 (0x00007f7bf818e000)
    libc.so.6 => /usr/lib/libc.so.6 (0x00007f7bf7fc2000)
    /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 => /usr/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f7bf81e8000)

可以明显看出，在ls 这个可执行文件依赖的动态库列表中，除了 linux-vdso.so.1 都有明确的路径，同时还可以通过 proc 文件系统中进程的内存映射（memory map）情况来映射这一点：

$cat /proc/1/maps
....
7fd37e90f000-7fd37e911000 rw-p 0002f000 103:02 13244335                  /usr/lib/ld-2.33.so
7ffc2f7ce000-7ffc2f7ef000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffc2f7f7000-7ffc2f7fb000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffc2f7fb000-7ffc2f7fd000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

可以看出，vDSO 确实是以共享库的形式存在于每一个进程当中的。

通过 vDSO，进程访问一些系统提供的 API，就可以直接在自己的地址空间访问，而不需要进行用户-内核态的状态切换了

2. vDSO 实现原理

linux-vdso.so.1 既然不是一个实实在在的文件，那其中的内容就应该直接保存在内存中，Linux 使用 vdso_image 来表示

2.1 vDSO image

在 arch/x86/entyr/vdso/vdso-image-64.c 文件中，定义了下面的 vdso_image：

static unsigned char raw_data[8192] __ro_after_init __aligned(PAGE_SIZE) = {
    0x7F, 0x45, 0x4C, 0x46, 0x02, 0x01, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 
    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x03, 0x00, 0x3E, 0x00, 
    ...
};

const struct vdso_image vdso_image_64 = {
    .data = raw_data,
    .size = 8192,
    .alt = 3013,
    .alt_len = 91,
    .sym_vvar_start = -16384,
    .sym_vvar_page = -16384,
    .sym_pvclock_page = -12288,
    .sym_hvclock_page = -8192,
    .sym_timens_page = -4096,
};

vdso_image.raw_data 对应的就是 vDSO 提供的所有系统调用的二进制指令，一共有 8192 字节，相当于下面的结构:

static struct page *pages[2];

vdso_iamge_64 自然需要保存到全局变量中才能发挥作用，这就涉及接下来要提到的 vDSO 初始化。

2.2 vDSO 初始化

vDSO 通过 init_vdso() 函数来初始化，通过条件编译对 32/64 bit 的 image 进行选择。同时也需要通过 subsys_initcall(init_vdso) 将 init_vdso() 放到 initcall 列表中。

init_vdso_image() 这里不过多介绍，主要是用来优化指令，毕竟 vdso_image 中提供的二进制指令是手动放在一个数组中的，还有相当大的优化空间

static int __init init_vdso(void)
{
    BUILD_BUG_ON(VDSO_CLOCKMODE_MAX >= 32);

    init_vdso_image(&vdso_image_64);

#ifdef CONFIG_X86_X32_ABI
    init_vdso_image(&vdso_image_x32);
#endif

    return 0;
}
subsys_initcall(init_vdso);

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2.3 vDSO 和可执行程序

如果你对 Linux 可执行程序的加载-执行机制有所研究，就知道对于 elf 格式的可执行程序而言，最终调用了 load_elf_binary() 这个回调函数，在这个函数中，会根据 elf 文件头中的描述，设置好新进程的各个段，并将 elf 文件中的内容拷贝到相应位置。

为什么好端端的，要提到可执行程序加载呢？这是因为，在系统初始化完成之后，vdso_image 已经设置完毕，只需要在每次加载二进制可执行程序的时候，分配一块内存空间，将 vdso_image 加载到该位置即可。

这就是 arch_setup_additional_pages() 函数所要完成的任务了：

int arch_setup_additional_pages(struct linux_binprm *bprm, int uses_interp)
{
    if (!vdso64_enabled)
        return 0;
    return map_vdso_randomized(&vdso_image_64);
}

map_vdso_randomized() 会通过 stack protect 机制，选择一个随机的加载地址，并调用 map_vdso 完成 mapping 工作，该函数内容较多，这里不赘述。

最终，vDSO 会向用户提供四个系统调用：

__vdso_clock_gettime()
__vdso_getcpu()
__vdso_gettimeofday()
__vdso_time()

你还别不信，可以自行验证一下：

使用命令 cat /proc/1/maps 找到 [vdso] 对应的内存位置。
通过 dd 命令将内存的影像 dump 到文件中，如：dd if=/proc/1/mem of=/tmp/linux-vdso.so skip=140728627781632 ibs=1 count=4096，其中 skip 的值为 vdso 的内存起始地址，count 为这块内存的大小。
使用 objdump 命令查看 linux-vdso.so 中所有符号 objdump -T /tmp/linux-vdso.so，最终结果如下。

linux-vdso.so:     file format elf64-x86-64

DYNAMIC SYMBOL TABLE:
0000000000000740  w   DF .text  000000000000015d  LINUX_2.6   clock_gettime
0000000000000600 g    DF .text  0000000000000127  LINUX_2.6   __vdso_gettimeofday
00000000000008a0  w   DF .text  0000000000000044  LINUX_2.6   clock_getres
00000000000008a0 g    DF .text  0000000000000044  LINUX_2.6   __vdso_clock_getres
0000000000000600  w   DF .text  0000000000000127  LINUX_2.6   gettimeofday
0000000000000730 g    DF .text  0000000000000010  LINUX_2.6   __vdso_time
0000000000000730  w   DF .text  0000000000000010  LINUX_2.6   time
0000000000000740 g    DF .text  000000000000015d  LINUX_2.6   __vdso_clock_gettime
0000000000000000 g    DO *ABS*  0000000000000000  LINUX_2.6   LINUX_2.6
00000000000008f0 g    DF .text  0000000000000025  LINUX_2.6   __vdso_getcpu
00000000000008f0  w   DF .text  0000000000000025  LINUX_2.6   getcpu