一文搞懂Linux内核内存管理中的KASAN实现原理
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发布时间：2024-05-28 21:42
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时间：2024-06-16 21:00
Kernel Address Sanitizer (KASAN)，作为内存错误检测的守护者，专为x86_64和arm64架构的Linux 4.4及更高版本设计。它通过GCC 4.9.2及以上版本的强大支持，利用shadow memory这一内存监控机制，确保了对内存越界访问的精准捕捉。启动时，只需在编译选项中设置CONFIG_SLUB_DEBUG=y和CONFIG_KASAN=y，SLUB_DEBUG将提供额外的调试信息，可能会增加boot.img的大小。
KASAN的核心策略是利用系统1/8的内存空间作为shadow memory，通过编译时插入的load/store检查，实时监控每个内存操作。当内存访问尝试超出定义范围时，__asan_load#size()和__asan_store#size()这些内置函数会触发异常，发出警告。比如，8字节内存访问要求shadow memory值为0，任何偏离这一规则的操作都会触发错误检查。
在ARM64架构下，KASAN区域位于kernel空间的VMALLOC区域，支持KASLR。编译器会在每个内存访问前后自动插入检查，通过__asan_load#size()和__asan_store#size()来验证内存地址的有效性。例如，全局变量的构造函数由编译器生成，如char a[4]变为struct { char original[4]; char redzone[60]; }，redzone的填充规则由实际占用内存与32字节的余数决定。
关于shadow memory的物理映射，它与kernel地址之间的关系是：shadow_addr = (kaddr >> 3) + KASAN_SHADOW_OFFSE。KASAN区域作为虚拟地址，必须通过映射将其转换为物理地址才能操作。初始化过程在kasan_early_init()和kasan_init()函数中进行，确保内存映射的正确性。当分配内存时，如kmalloc(20)，KASAN会标记多余的内存为不可访问，以防止意外的越界使用。
更具体地，KASAN通过struct kasan_global结构体来管理全局变量，如smc_num1、smc_num2和smc_num3。反编译System.map和vmlinux.txt，我们发现每个全局变量都有对应的构造函数，如smc_num1的构造函数地址为ffff200009381df0，初始化过程由__asan_register_globals()执行。
总结来说，KASAN通过编译器的智能处理，确保了对内存访问的严格监控。它在栈分配变量和全局变量上都有相应的边界检查和shadow memory初始化。错误日志提供了详尽的bug信息，如地址、任务、kmalloc_oob_right错误描述等，帮助开发者快速定位问题。
在实践中，KASAN在Linux内核4.18版本中表现出色，通过检测slab-out-of-bounds错误，为内存管理提供了强大的安全保障。深入理解KASAN的工作原理，对保证系统稳定性和代码质量至关重要。
