gVisor中的vdso实现

什么是vdso？

vdso是virtual ELF dynamic shared object的缩写，即虚拟动态共享库，其实就是“虚拟的so库”。根据linux手册https://man7.org/linux/man-pages/man7/vdso.7.html的介绍，vdso是内核中内置的一个so库。在启动ELF程序时，内核会自动将其映射到进程的虚拟地址空间。通过cat /proc/$pid/maps可以看到每个进程中vdso映射的虚拟地址。

vdso的主要存在意义，是为一些频繁调用的内核功能提供用户态的缓存和加速处理，从而避免频繁发生用户态/内核态切换。在不同架构下，vdso提供的接口是不同的，在x86_64架构下vdso提供的接口有：

1.  
   symbol version
2.  
   ─────────────────────────────────
3.  
   __vdso_clock_gettime LINUX_2.6
4.  
   __vdso_getcpu LINUX_2.6
5.  
   __vdso_gettimeofday LINUX_2.6
6.  
   __vdso_time LINUX_2.6

在vdso的手册中，明确写道：vdso一般只由libc调用，普通开发者不应该直接调用vdso的符号和接口。不能在程序中直接调用vdso接口的原因是vdso与架构/内核版本是强相关的，不同架构/内核下vdso提供的接口差异很大，因此无法保证程序调用的接口在运行环境下存在。而libc会根据架构/内核版本，以及运行时实际状态（vdso是否映射，需要的符号是否能查找到）判断相关功能是否可以通过vdso接口实现。

这里有一个问题：为什么vdso提供的用户态功能要通过内核映射用户态so这种奇特的方式实现，而不直接实现在libc中呢？原因是vdso提供的功能需要和内核配合实现，不是纯粹的用户态逻辑。time和cpu相关的功能，都依赖于内核将相关数据写入到进程的特定虚拟地址空间，然后才能在用户态读取到。这些功能的实现在不同版本内核中可能有变化，纯用户态逻辑也很难高效的获取内核这些细节信息，内核也不想暴露新的接口（系统调用）来初始化这些细节信息，因此无法实现在libc中。因此，vdso虽然使用起来是一个用户态so，但其功能是内核直接提供的，vdso是内核功能的一部分。

vdso最早被称为vsyscall，只用于帮助libc选择最高效的系统调用实现：是INT 80，sysenter，还是syscall？其实这种功能在glibc中就能够实现，不需要内核介入。但后来内核开发者发现这种机制能够在用户态高效实现内核功能，因此将其改名为vdso，在其中加入了更多与内核配合的用户态接口。目前在大多数架构下，vdso中已经不再包含vsyscall接口。

gVisor中的vdso

gVisor是google开源的安全容器运行时。其原理是截获进程的系统调用，在用户态实现系统调用功能，只在必要时才会调用有限的内核系统调用。通过限制进程能调用的系统调用数量，gVisor减少了进程利用系统调用实现缺陷来攻击内核的可能性，从而保障容器的隔离性和系统的安全性，避免恶意或被控制容器攻击宿主机和宿主机上的其他容器。

gVisor有趣的一点是它可以被看作是在用户态用golang实现的一个类Linux内核。gVisor目前的版本中已经支持了绝大部分Linux系统调用，其实现原理大多与linux内核接近，但由于使用golang开发，代码量更小、可读性更好，还能够很方便的进行修改和调试，是一个学习内核原理的好途径。

在gVisor中也实现了vdso，下面分析一下其实现逻辑。

gVisor中vdso库的实现在gvisor/vdso/路径下，主要包括如下文件：

• check_vdso.py，用于检查生成的vdso.so文件的段结构是否符合预期，确认so中没有重定位段。
• vdso_amd64.lds/vdso_arm64.lds，不同架构下的so链接脚本，指导链接器生成符合要求的so文件。
• vdso.cc，接口实现文件。以x86_64架构为例，vdso提供的接口共5个。其中__vdso_getcpu和__kernel_rt_sigreturn这两个接口并没有提供高效实现，而是直接调用了系统调用。提供了优化的只有获取时间的三个接口：__vdso_clock_gettime、__vdso_gettimeofday、__vdso_time。这些接口的实现原理都是一样的，从内核映射的地址中直接获取当前时间，然后进行一些转换来获取接口要求的时间格式。具体的实现在vdso_time.cc中。
• vdso_time.cc，时间接口的实现。在这里的实现逻辑中可以看到gVisor将时间戳相关的数据地址映射到vdso的映射地址的前一个页上，称作ParamPage。通过直接访问这个地址，可以获取到gVisor提供的当前时间戳。再通过rdtsc获取当前高精度tsc时间戳，与gVisor更新时间戳时的基准tsc取差值，即可获得与gVisor时间戳间的精确差距，从而计算出当前的精确时间戳。

vdso的实现分析完毕，另一个更重要的问题是：vdso库和时间戳页的映射是在什么地方做的？以及，时间戳页的数据是如何更新的？

vdso在内核中的初始化

vdso的初始化在boot命令创建sandbox时完成。在boot.New函数中，调用PrepareVDSO函数实现了vdso库的载入和时间戳页的创建。这个函数在boot.New中调用，在创建loader时完成了vdso的初始化。之后使用kernel.NewTimekeeper为时间戳页注册了一个Timekeeper来维护时间戳的更新。最后在Kernel.Init中将Timekeeper和vdso记录在Kernel结构中。

vdso在进程中的映射

在创建进程时（Kernel.CreateProcess、linux.Execveat），会调用Kernel.LoadTaskImage。这个函数负责载入可执行文件等进程初始化操作，其中也调用了loadVDSO完成vdso在进程地址空间中的映射。其中首先分配了vdso.Length()+ParamPage.Length()长度的虚拟地址空间，之后将ParamPage和vdso连续映射到这段空间。在映射时，设置了映射地址空间的权限为只读，防止有进程恶意或错误的修改映射页内容造成其他进程运行错误。

vdso中时间戳页面的更新

在内核初始化vdso时，创建了Timekeeper来维护时间戳的更新。在初始化TimeKeeper的Timekeeper.SetClocks函数中，会调用Timekeeper.startUpdater函数。顾名思义，这个函数启动了一个updater来更新时间戳。startUpdater函数启动了一个无限循环的goroutine，每1秒获取一次当前的时间信息，更新到ParamPage中。这个1秒的定时器通过golang的定时器time.Ticker实现。

通过上述过程，gVisor在启动sandbox时将vdso载入到kernel中，在进程创建时将vdso地址映射到进程虚拟地址空间，并定时更新时间戳页面来保持时间戳的准确性。这样，gVisor中的用户进程就能够通过vdso接口，在不调用syscall的情况下获取精确时间。