なぜカーネルへのアクセスを禁止できるのか

Question

http://softwaretechnique.jp/Linux/SystemCall/sc_01.html
こちらのページに、「システムコール以外の方法でのカーネルへのアクセスは禁止されている」と書かれていますが、どのようにして禁止しているのでしょうか？ポインタを使えば直接アクセスできる気がするのですが…。

回答をお待ちしております。

Answer 1

CPUの機能に、「カーネルモード」「ユーザーモード」として組み込まれています。
http://ja.wikipedia.org/wiki/CPU%E3%83%A2%E3%83%BC%E3%83%89
などを参照。

システムコールで、ユーザーモードからカーネルモードに移行します。
カーネルのメモリエリアは、カーネルモードでしかアクセス出来ないようにOSを作ります。

Comments

[anaprestoo]

なるほど！通常のプログラムは「ユーザーモード」で動くので、OSの領域にはアクセスできないと…。けれど、システムコールを利用することで、OS自身が「ユーザーモード」から「カーネルモード」に移行するので、通常のプログラムからでもOSの領域にアクセスできるようになると…そういうわけですね！

通常のプログラムで「ユーザーモード」から「カーネルモード」に移行させることは…まあできないんでしょうね。その辺もきちんと制御されているのでしょう。

それにしても、まさかCPUとOSが密接に連携しているとは思いませんでした。まだまだ疑問はつきませんが（例えば、どうやってCPUは「そのポインタがOSの領域かどうか」を判定しているかとか）、それはまたの機会に別の質問として質問させていただきます。

ありがとうございました！

[otn]

> OS自身が「ユーザーモード」から「カーネルモード」
OSじゃなくて、CPUがですね。今時だと、コアか。

ユーザーモードをカーネルモードに切り替えるだけの命令はありません。逆はあり。
「カーネルプログラムの呼び出し＆カーネルモードへの切り替え」を同時に行う命令があり（これがシステムコール）、これによってカーネルモードに移行しますので、ユーザープログラムが直接にカーネル資源を使うことは出来ません。

[anaprestoo]

とりあえずこの一週間で理解したことを書いておきます。

パソコンを起動すると、OSはCPUに様々な設定をする。システムコールを使うための設定だったり（IDTのアドレスの登録）、ユーザープログラムを仮想アドレス上で動作させるための設定だったり（GDTのアドレスの登録）。それらの設定を終えた後、OSはCPUをカーネルモードからユーザーモードに移行させる。

ユーザーモードで動く各プロセスには、仮想アドレス空間が割り当てられる。プロセスは、この仮想アドレス空間へのアクセスのみ許される。例えばC言語で、

char *p = 0x01234567;

と書くと、これは仮想アドレス空間上のアドレスを指すことになる。実際のメモリアドレス（物理アドレス）を指しているわけではない。ユーザープログラムの仮想アドレス空間には、OSの領域を指すアドレスが存在しないので、ユーザープログラムからOSの領域を参照したり変更したりすることはできない。

CPUには「割り込み」という仕組みが用意されている。割り込みが発生すると、CPUは、それまで実行していたプログラムを中断し、OSがあらかじめ登録しておいた関数を呼び出す。このときに、CPUがユーザーモードからカーネルモードに移行する。システムコールはこの仕組をうまく利用している。ユーザープログラムが意図的に割り込みを発生させることで、OSの領域に間接的にアクセスすることができる。

これまでの文章をまとめます。

●ユーザープログラムは仮想アドレス空間にのみアクセスできる。通常では、仮想アドレス空間上にOSの領域は存在しないため、ユーザープログラムが直接OSの領域にアクセスすることはできない
●システムコールとは、ユーザープログラムが意図的に割り込みを発生させ、OSの領域に間接的にアクセスすることである

回答者さんの指摘を基盤として色々と調べることにより、わずか一週間で様々なことを知ることが出来ました。ありがとうございました。

[kazuyakazuya]

横から悪いのですが
システムコールを読んだ時点でカーネルモードに移行するのですか？

それとも、
システムコールの中のソフトウエア割り込みが呼ばれ
ゲートディスクリプタにアクセスした時点で

CPUの特権が一時的に変わるのでしょうか？

[otn]

回答では、カーネル機能を呼び出すCPUのソフトウェア割り込み命令の事をシステムコールと書いています。

Cから呼ぶopen等の関数はそれへのラッパーなので、ユーザープログラムからlibcのopen関数を呼んだ時点でカーネルモードに移行するわけでは無いというのは、ご理解の通りだと思います。

アセンブラプログラムを書いて、ソフトウェア割り込み命令を直接書けばその時点で移行するし、Cで書かれたRuby処理系を使ったスクリプトにsyscallメソッドを書けば、Cで書かれたRubyVMのインタープリターからlibcの関数を呼んで、さらにその先でカーネルモードに移行するわけで、言語によりいろいろと言うことかと思います(Rubyソースを読んでないので推測ですが)。

[kazuyakazuya]

わかりました。
ありがとうございます。