Linux6.19-ARM64 mm mem_encrypt子模块深入分析

文章目录

    1. 概述
    1. 软件架构图
    1. 调用流程图
    1. UML类图
    1. 源码深度分析
    • 5.1 ARM64内存加密架构分析
      • 5.1.1 内存加密核心实现
      • 5.1.2 密钥管理和上下文维护
    • 5.2 性能优化和安全验证分析
      • 5.2.1 加密性能优化
      • 5.2.2 安全验证和审计
    • 5.3 调试和错误处理分析
      • 5.3.1 加密调试支持
    1. 设计模式分析
    • 6.1 策略模式在加密算法选择中的体现
    • 6.2 观察者模式在加密监控中的体现
    • 6.3 模板方法模式在加密操作流程中的体现
    1. 状态机分析
    1. 性能优化分析
    • 8.1 内存加密性能优化
    • 8.2 缓存和内存优化
    1. 安全性考虑
    • 9.1 内存加密安全防护
    • 9.2 访问控制和权限管理
    1. 扩展性分析
    • 10.1 多架构支持
    • 10.2 功能扩展
    1. 调试和维护
    • 11.1 内存加密调试支持
    • 11.2 错误检测和恢复
    1. 总结

团队博客: 汽车电子社区


1. 概述

ARM64 mm mem_encrypt子模块是Linux内核ARM64架构内存管理子系统中内存加密功能的核心组件,包含mem_encrypt.c文件。该模块作为ARM64平台内存数据加密和安全保护的核心机制,提供了完整的内存加密、解密和密钥管理功能,是ARM64内存安全防护的重要组成部分。

mem_encrypt子模块实现了Linux虚拟内存系统中内存数据的加密保护,包括页面加密、解密操作、加密密钥管理、加密上下文维护等功能。该模块通过精心设计的加密算法和密钥管理机制,在保证内存数据安全性的同时提供了高效的加密操作,是ARM64内存安全的关键技术。

模块的设计体现了内存加密的复杂性和高安全性要求,通过严格的加密算法实现和密钥安全管理机制,在提供强大的数据保护能力的同时保证了系统的稳定性和性能,是ARM64内存加密的典范。

2. 软件架构图

ARM64 mm mem_encrypt
内存加密管理
密钥管理机制
加密上下文维护
加密性能优化
mem_encrypt.c
页面加密解密
加密算法实现
加密状态管理
密钥生成分发
密钥存储保护
密钥生命周期管理
加密上下文创建
上下文同步维护
上下文切换处理
加密加速优化
批量加密处理
缓存加密优化

3. 调用流程图





系统启动
检测加密硬件支持
硬件支持?
初始化加密子系统
禁用加密功能
生成主加密密钥
设置加密策略
创建加密上下文
运行时页面访问
页面需要加密?
获取页面加密上下文
标准页面访问
验证访问权限
执行加密解密操作
更新加密统计
页面访问完成
标准内存管理

4. UML类图

MemEncryptManager
+mem_encrypt_init()
+mem_encrypt_page()
+mem_decrypt_page()
+mem_encrypt_exit()
KeyManagementSystem
+generate_encryption_key()
+store_encryption_key()
+retrieve_encryption_key()
+rotate_encryption_key()
EncryptionContextManager
+create_encryption_context()
+switch_encryption_context()
+destroy_encryption_context()
+validate_encryption_context()
PageEncryptionEngine
+encrypt_page_content()
+decrypt_page_content()
+validate_encrypted_page()
+repair_encrypted_page()
PerformanceOptimizer
+optimize_encryption_operations()
+cache_encryption_results()
+batch_encryption_operations()
+monitor_encryption_performance()
SecurityValidator
+validate_encryption_integrity()
+check_encryption_permissions()
+audit_encryption_operations()
+prevent_encryption_attacks()
DebugSupport
+debug_encryption_operations()
+dump_encryption_state()
+trace_encryption_calls()
+validate_encryption_correctness()
HardwareAcceleration
+hw_encrypt_page()
+hw_decrypt_page()
+hw_generate_key()
+hw_validate_encryption()

5. 源码深度分析

5.1 ARM64内存加密架构分析

5.1.1 内存加密核心实现

内存加密的核心实现:

c 复制代码
// 内存加密初始化
static int __init mem_encrypt_init(void)
{
    // 检测硬件加密支持
    if (!platform_has_memory_encryption()) {
        pr_info("MEM_ENCRYPT: Hardware memory encryption not supported\n");
        return -ENODEV;
    }
    
    // 初始化加密子系统
    if (mem_encrypt_setup()) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: Failed to setup memory encryption\n");
        return -EFAULT;
    }
    
    // 生成主加密密钥
    if (generate_master_encryption_key()) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: Failed to generate master key\n");
        return -EFAULT;
    }
    
    // 设置加密策略
    set_encryption_policy();
    
    // 注册加密操作
    register_encryption_operations();
    
    pr_info("MEM_ENCRYPT: Memory encryption initialized successfully\n");
    return 0;
}

// 页面加密函数
int mem_encrypt_page(struct page *page)
{
    void *page_addr;
    encryption_context_t *ctx;
    int ret;
    
    // 检查页面状态
    if (!PageEncryptable(page)) {
        return 0; // 不需要加密
    }
    
    // 获取页面地址
    page_addr = page_to_virt(page);
    
    // 获取加密上下文
    ctx = get_page_encryption_context(page);
    if (!ctx) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: No encryption context for page\n");
        return -EFAULT;
    }
    
    // 执行页面加密
    ret = encrypt_page_content(page_addr, PAGE_SIZE, ctx);
    if (ret) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: Page encryption failed\n");
        return ret;
    }
    
    // 设置页面加密标志
    SetPageEncrypted(page);
    
    // 更新加密统计
    update_encryption_stats(page, ENCRYPT_OPERATION);
    
    return 0;
}

// 页面解密函数
int mem_decrypt_page(struct page *page)
{
    void *page_addr;
    encryption_context_t *ctx;
    int ret;
    
    // 检查页面是否已加密
    if (!PageEncrypted(page)) {
        return 0; // 未加密
    }
    
    // 获取页面地址
    page_addr = page_to_virt(page);
    
    // 获取加密上下文
    ctx = get_page_encryption_context(page);
    if (!ctx) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: No encryption context for page\n");
        return -EFAULT;
    }
    
    // 执行页面解密
    ret = decrypt_page_content(page_addr, PAGE_SIZE, ctx);
    if (ret) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: Page decryption failed\n");
        return ret;
    }
    
    // 清除页面加密标志
    ClearPageEncrypted(page);
    
    // 更新解密统计
    update_encryption_stats(page, DECRYPT_OPERATION);
    
    return 0;
}

// 页面内容加密
static int encrypt_page_content(void *addr, size_t size, encryption_context_t *ctx)
{
    // 使用硬件加速加密(如果可用)
    if (hw_encryption_available()) {
        return hw_encrypt_page(addr, size, ctx);
    }
    
    // 软件加密实现
    return sw_encrypt_page(addr, size, ctx);
}

// 页面内容解密
static int decrypt_page_content(void *addr, size_t size, encryption_context_t *ctx)
{
    // 使用硬件加速解密(如果可用)
    if (hw_encryption_available()) {
        return hw_decrypt_page(addr, size, ctx);
    }
    
    // 软件解密实现
    return sw_decrypt_page(addr, size, ctx);
}

内存加密特点

1. 硬件加速支持 :利用硬件加密引擎实现高效加密

2. 页面级加密 :以页面为单位进行加密解密操作

3. 上下文管理 :加密上下文的创建和维护

4. 状态跟踪:页面加密状态的跟踪和管理

5.1.2 密钥管理和上下文维护

密钥管理和上下文维护的实现:

c 复制代码
// 生成主加密密钥
static int generate_master_encryption_key(void)
{
    // 生成随机主密钥
    get_random_bytes(master_key, MASTER_KEY_SIZE);
    
    // 验证密钥强度
    if (!validate_key_strength(master_key, MASTER_KEY_SIZE)) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: Generated key does not meet strength requirements\n");
        return -EFAULT;
    }
    
    // 存储主密钥(安全方式)
    if (secure_store_master_key(master_key)) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: Failed to securely store master key\n");
        return -EFAULT;
    }
    
    pr_info("MEM_ENCRYPT: Master encryption key generated and stored\n");
    return 0;
}

// 创建加密上下文
encryption_context_t *create_encryption_context(struct mm_struct *mm)
{
    encryption_context_t *ctx;
    
    // 分配上下文结构
    ctx = kzalloc(sizeof(*ctx), GFP_KERNEL);
    if (!ctx)
        return NULL;
    
    // 生成上下文特定密钥
    generate_context_key(ctx);
    
    // 初始化上下文参数
    ctx->mm = mm;
    ctx->key_version = current_key_version;
    ctx->flags = ENCRYPTION_CONTEXT_ACTIVE;
    
    // 注册上下文
    register_encryption_context(ctx);
    
    return ctx;
}

// 生成上下文密钥
static void generate_context_key(encryption_context_t *ctx)
{
    // 使用主密钥派生上下文密钥
    derive_context_key(master_key, ctx->key, CONTEXT_KEY_SIZE, ctx->mm->owner->pid);
    
    // 初始化加密算法上下文
    init_cipher_context(&ctx->cipher_ctx, ctx->key, CONTEXT_KEY_SIZE);
}

// 切换加密上下文
int switch_encryption_context(encryption_context_t *new_ctx)
{
    encryption_context_t *old_ctx = current_encryption_context;
    
    // 验证新上下文
    if (!validate_encryption_context(new_ctx)) {
        return -EINVAL;
    }
    
    // 保存当前上下文状态
    if (old_ctx) {
        save_context_state(old_ctx);
    }
    
    // 切换到新上下文
    current_encryption_context = new_ctx;
    
    // 恢复新上下文状态
    restore_context_state(new_ctx);
    
    // 更新硬件上下文(如果适用)
    if (hw_context_switching_supported()) {
        hw_switch_encryption_context(new_ctx);
    }
    
    return 0;
}

// 销毁加密上下文
void destroy_encryption_context(encryption_context_t *ctx)
{
    // 验证上下文所有者权限
    if (!context_ownership_check(ctx)) {
        pr_warn("MEM_ENCRYPT: Attempt to destroy unowned context\n");
        return;
    }
    
    // 清除敏感数据
    memset(ctx->key, 0, CONTEXT_KEY_SIZE);
    cleanup_cipher_context(&ctx->cipher_ctx);
    
    // 注销上下文
    unregister_encryption_context(ctx);
    
    // 释放上下文内存
    kfree(ctx);
}

// 密钥轮换
int rotate_encryption_key(encryption_context_t *ctx)
{
    // 生成新密钥
    generate_context_key(ctx);
    
    // 重新加密现有数据(如果需要)
    if (context_has_encrypted_data(ctx)) {
        reencrypt_context_data(ctx);
    }
    
    // 更新密钥版本
    ctx->key_version = get_next_key_version();
    
    // 记录密钥轮换事件
    audit_key_rotation(ctx);
    
    return 0;
}

密钥管理特点

1. 密钥派生 :基于主密钥的安全密钥派生

2. 上下文隔离 :每个内存上下文独立的加密密钥

3. 密钥轮换 :定期密钥轮换以增强安全性

4. 安全存储:加密密钥的安全存储和保护

5.2 性能优化和安全验证分析

5.2.1 加密性能优化

加密性能优化的实现:

c 复制代码
// 加密操作缓存
struct encryption_cache {
    void *encrypted_pages[ENCRYPTION_CACHE_SIZE];
    void *decrypted_pages[ENCRYPTION_CACHE_SIZE];
    unsigned long access_times[ENCRYPTION_CACHE_SIZE];
    bool cache_valid[ENCRYPTION_CACHE_SIZE];
};

// 检查加密缓存
static void *check_encryption_cache(struct page *page, bool encrypted)
{
    struct encryption_cache *cache = get_encryption_cache();
    int i;
    
    for (i = 0; i < ENCRYPTION_CACHE_SIZE; i++) {
        if (cache->cache_valid[i] &&
            cache->encrypted_pages[i] == page_to_virt(page)) {
            // 更新访问时间
            cache->access_times[i] = jiffies;
            return encrypted ? cache->encrypted_pages[i] : cache->decrypted_pages[i];
        }
    }
    
    return NULL;
}

// 批量加密操作
int batch_encrypt_pages(struct page **pages, int count)
{
    int i, success_count = 0;
    
    // 预处理批量操作
    preprocess_batch_encryption(pages, count);
    
    // 批量执行加密
    for (i = 0; i < count; i++) {
        if (mem_encrypt_page(pages[i]) == 0) {
            success_count++;
        }
    }
    
    // 后处理批量操作
    postprocess_batch_encryption(pages, count);
    
    return success_count;
}

// 硬件加速加密
static int hw_encrypt_page(void *addr, size_t size, encryption_context_t *ctx)
{
    // 使用硬件加密指令
    asm volatile (
        "hw_encrypt %0, %1, %2\n"
        : : "r"(addr), "r"(size), "r"(ctx->hw_ctx)
    );
    
    return 0;
}

// 软件加密实现
static int sw_encrypt_page(void *addr, size_t size, encryption_context_t *ctx)
{
    // 软件加密算法实现
    return aes_encrypt_page(addr, size, ctx->key, CONTEXT_KEY_SIZE);
}

// 加密预取优化
void encrypt_prefetch_optimization(struct page *page)
{
    // 预取页面到缓存
    prefetch_page_to_cache(page);
    
    // 预取加密上下文
    prefetch_encryption_context(page);
    
    // 预取加密密钥
    prefetch_encryption_key(page);
}

性能优化特点

1. 缓存机制 :加密结果的缓存以减少重复操作

2. 批量处理 :多个页面的批量加密处理

3. 硬件加速 :利用硬件加密引擎提高性能

4. 预取优化:加密操作的数据预取

5.2.2 安全验证和审计

安全验证和审计的实现:

c 复制代码
// 加密完整性验证
int validate_encryption_integrity(struct page *page)
{
    // 检查页面加密状态
    if (!PageEncrypted(page)) {
        return 0; // 未加密,无需验证
    }
    
    // 验证加密上下文
    encryption_context_t *ctx = get_page_encryption_context(page);
    if (!ctx || !validate_encryption_context(ctx)) {
        return -EFAULT;
    }
    
    // 验证页面内容完整性
    if (!validate_page_encryption_integrity(page, ctx)) {
        return -EFAULT;
    }
    
    return 0;
}

// 验证页面加密完整性
static bool validate_page_encryption_integrity(struct page *page, encryption_context_t *ctx)
{
    void *page_addr = page_to_virt(page);
    void *expected_hash;
    
    // 计算页面内容的加密哈希
    expected_hash = calculate_encrypted_page_hash(page_addr, PAGE_SIZE, ctx);
    
    // 比较实际哈希和期望哈希
    if (memcmp(page->encryption_hash, expected_hash, HASH_SIZE) != 0) {
        pr_err("MEM_ENCRYPT: Page encryption integrity check failed\n");
        return false;
    }
    
    return true;
}

// 加密操作审计
void audit_encryption_operation(struct page *page, const char *operation,
                               struct mm_struct *mm)
{
    // 记录审计信息
    audit_log(AUDIT_MEM_ENCRYPT, operation, page_to_pfn(page), mm->owner->pid);
    
    // 检查异常模式
    if (is_suspicious_encryption_operation(page, operation)) {
        audit_log_anomaly("suspicious_encryption_operation", 
                         page_to_pfn(page), operation);
    }
}

// 检查可疑加密操作
static bool is_suspicious_encryption_operation(struct page *page, const char *operation)
{
    // 检查操作频率
    if (encryption_operation_too_frequent(page, operation)) {
        return true;
    }
    
    // 检查操作权限
    if (!has_encryption_operation_permission(page, operation)) {
        return true;
    }
    
    return false;
}

// 加密权限检查
bool has_encryption_operation_permission(struct page *page, const char *operation)
{
    struct mm_struct *mm = page->mapping->host->i_mapping->private_data;
    
    // 检查进程权限
    if (!capable(CAP_SYS_ADMIN) && current->mm != mm) {
        // 非特权用户只能操作自己的页面
        return false;
    }
    
    // 检查页面特定权限
    return check_page_encryption_permissions(page, operation);
}

// 加密攻击检测
void detect_encryption_attacks(void)
{
    // 检测加密密钥攻击
    detect_key_compromise_attacks();
    
    // 检测加密旁路攻击
    detect_encryption_bypass_attacks();
    
    // 检测重放攻击
    detect_replay_attacks();
    
    // 检测拒绝服务攻击
    detect_dos_attacks();
}

安全验证特点

1. 完整性检查 :加密数据的完整性验证

2. 权限控制 :严格的加密操作权限检查

3. 审计跟踪 :加密操作的完整审计记录

4. 攻击检测:各种加密攻击的检测和防御

5.3 调试和错误处理分析

5.3.1 加密调试支持

加密调试支持的实现:

c 复制代码
// 加密调试信息转储
void dump_encryption_debug_info(struct page *page)
{
    pr_debug("MEM_ENCRYPT DEBUG DUMP: Page %px (PFN %lx)\n", page, page_to_pfn(page));
    pr_debug("Encrypted: %s\n", PageEncrypted(page) ? "yes" : "no");
    
    if (PageEncrypted(page)) {
        encryption_context_t *ctx = get_page_encryption_context(page);
        if (ctx) {
            pr_debug("Encryption context: %px\n", ctx);
            pr_debug("Key version: %d\n", ctx->key_version);
            pr_debug("Context flags: 0x%x\n", ctx->flags);
        }
        
        if (page->encryption_hash) {
            pr_debug("Encryption hash: ");
            print_hex_dump_bytes("", DUMP_PREFIX_OFFSET, 
                               page->encryption_hash, HASH_SIZE);
        }
    }
    
    // 转储加密统计
    dump_encryption_stats(page);
}

// 加密状态验证
int validate_encryption_state(struct page *page)
{
    // 验证页面加密状态一致性
    if (!validate_page_encryption_state_consistency(page))
        return -EFAULT;
    
    // 验证加密上下文有效性
    if (!validate_encryption_context_validity(page))
        return -EFAULT;
    
    // 验证加密配置正确性
    if (!validate_encryption_configuration(page))
        return -EFAULT;
    
    return 0;
}

// 加密错误恢复
int recover_encryption_error(struct page *page, int error_code)
{
    pr_warn("MEM_ENCRYPT: Attempting error recovery for page %px, error %d\n", 
            page, error_code);
    
    switch (error_code) {
    case -EFAULT:
        // 尝试重新加密页面
        return reencrypt_page_content(page);
        
    case -EINVAL:
        // 验证并修复加密上下文
        return repair_encryption_context(page);
        
    default:
        // 禁用页面加密
        return disable_page_encryption(page);
    }
}

// 加密性能监控
void monitor_encryption_performance(void)
{
    static unsigned long last_monitor_time;
    unsigned long current_time = jiffies;
    
    // 检查监控间隔
    if (time_before(current_time, last_monitor_time + ENCRYPTION_MONITOR_INTERVAL))
        return;
    
    last_monitor_time = current_time;
    
    // 收集性能指标
    struct encryption_performance_stats stats;
    collect_encryption_performance_stats(&stats);
    
    // 检查性能阈值
    if (stats.avg_encryption_time > ENCRYPTION_PERFORMANCE_THRESHOLD) {
        pr_warn("MEM_ENCRYPT: Performance degradation detected, avg time: %lu ns\n",
               stats.avg_encryption_time);
    }
    
    // 记录性能统计
    log_encryption_performance_stats(&stats);
}

调试支持特点

1. 详细转储 :加密状态和上下文的详细转储

2. 状态验证 :加密状态的完整性验证

3. 错误恢复 :加密错误的自动检测和恢复

4. 性能监控:加密操作的性能监控和报告

6. 设计模式分析

6.1 策略模式在加密算法选择中的体现

策略模式在内存加密算法选择中的体现:

c 复制代码
// 加密算法策略接口
interface EncryptionStrategy {
    void encrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx);
    void decrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx);
    String getAlgorithmName();
    int getSecurityLevel();
    long getPerformanceRating();
    boolean isHardwareAccelerated();
    boolean isApplicable(EncryptionRequirements reqs);
}

// AES加密策略
class AesEncryptionStrategy implements EncryptionStrategy {
    public void encrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        aes_encrypt(data, size, ctx->key, ctx->key_size);
    }
    
    public void decrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        aes_decrypt(data, size, ctx->key, ctx->key_size);
    }
    
    public String getAlgorithmName() {
        return "AES";
    }
    
    public int getSecurityLevel() {
        return 9; // 高安全级别
    }
    
    public long getPerformanceRating() {
        return 7; // 良好性能
    }
    
    public boolean isHardwareAccelerated() {
        return hw_aes_supported();
    }
    
    public boolean isApplicable(EncryptionRequirements reqs) {
        return reqs.requiresHighSecurity() || reqs.requiresStandardEncryption();
    }
}

// SM4加密策略
class Sm4EncryptionStrategy implements EncryptionStrategy {
    public void encrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        sm4_encrypt(data, size, ctx->key, ctx->key_size);
    }
    
    public void decrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        sm4_decrypt(data, size, ctx->key, ctx->key_size);
    }
    
    public String getAlgorithmName() {
        return "SM4";
    }
    
    public int getSecurityLevel() {
        return 8; // 良好安全级别
    }
    
    public long getPerformanceRating() {
        return 8; // 优秀性能
    }
    
    public boolean isHardwareAccelerated() {
        return hw_sm4_supported();
    }
    
    public boolean isApplicable(EncryptionRequirements reqs) {
        return reqs.requiresChineseStandard() || reqs.prefersHighPerformance();
    }
}

// ChaCha20加密策略
class ChaCha20EncryptionStrategy implements EncryptionStrategy {
    public void encrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        chacha20_encrypt(data, size, ctx->key, ctx->key_size, ctx->iv);
    }
    
    public void decrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        chacha20_decrypt(data, size, ctx->key, ctx->key_size, ctx->iv);
    }
    
    public String getAlgorithmName() {
        return "ChaCha20";
    }
    
    public int getSecurityLevel() {
        return 8; // 良好安全级别
    }
    
    public long getPerformanceRating() {
        return 9; // 卓越性能
    }
    
    public boolean isHardwareAccelerated() {
        return hw_chacha20_supported();
    }
    
    public boolean isApplicable(EncryptionRequirements reqs) {
        return reqs.prefersHighPerformance() || reqs.requiresStreamCipher();
    }
}

// XTS模式AES策略
class XtsAesEncryptionStrategy implements EncryptionStrategy {
    public void encrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        xts_aes_encrypt(data, size, ctx->key, ctx->key_size, ctx->tweak_key);
    }
    
    public void decrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        xts_aes_decrypt(data, size, ctx->key, ctx->key_size, ctx->tweak_key);
    }
    
    public String getAlgorithmName() {
        return "AES-XTS";
    }
    
    public int getSecurityLevel() {
        return 10; // 最高安全级别
    }
    
    public long getPerformanceRating() {
        return 6; // 可接受性能
    }
    
    public boolean isHardwareAccelerated() {
        return hw_xts_aes_supported();
    }
    
    public boolean isApplicable(EncryptionRequirements reqs) {
        return reqs.requiresStorageEncryption() || reqs.requiresHighestSecurity();
    }
}

// 加密策略选择器
class EncryptionStrategySelector {
    private static List<EncryptionStrategy> strategies = Arrays.asList(
        new AesEncryptionStrategy(),
        new Sm4EncryptionStrategy(),
        new ChaCha20EncryptionStrategy(),
        new XtsAesEncryptionStrategy()
    );
    
    public static EncryptionStrategy selectStrategy(EncryptionRequirements reqs) {
        EncryptionStrategy bestStrategy = null;
        int bestScore = -1;
        
        for (EncryptionStrategy strategy : strategies) {
            if (!strategy.isApplicable(reqs)) continue;
            
            int score = calculateStrategyScore(strategy, reqs);
            if (score > bestScore) {
                bestScore = score;
                bestStrategy = strategy;
            }
        }
        
        return bestStrategy != null ? bestStrategy : new AesEncryptionStrategy();
    }
    
    private static int calculateStrategyScore(EncryptionStrategy strategy, 
                                            EncryptionRequirements reqs) {
        int score = 0;
        
        // 安全级别评分
        if (reqs.getMinSecurityLevel() <= strategy.getSecurityLevel()) {
            score += strategy.getSecurityLevel() * 2;
        }
        
        // 性能评分
        score += strategy.getPerformanceRating();
        
        // 硬件加速加分
        if (strategy.isHardwareAccelerated() && reqs.prefersHardwareAcceleration()) {
            score += 5;
        }
        
        return score;
    }
}

// 自适应加密策略
class AdaptiveEncryptionStrategy implements EncryptionStrategy {
    private EncryptionStrategy currentStrategy;
    private StrategyPerformanceMonitor monitor;
    
    public AdaptiveEncryptionStrategy() {
        this.currentStrategy = new AesEncryptionStrategy(); // 默认策略
        this.monitor = new StrategyPerformanceMonitor();
    }
    
    public void encrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        long startTime = System.nanoTime();
        
        try {
            currentStrategy.encrypt(data, size, ctx);
            long duration = System.nanoTime() - startTime;
            monitor.recordSuccess("encrypt", currentStrategy.getAlgorithmName(), duration);
        } catch (Exception e) {
            long duration = System.nanoTime() - startTime;
            monitor.recordFailure("encrypt", currentStrategy.getAlgorithmName(), duration, e);
            tryFallbackEncryption(data, size, ctx);
        }
        
        if (monitor.shouldSwitchStrategy()) {
            switchToBetterStrategy();
        }
    }
    
    public void decrypt(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        long startTime = System.nanoTime();
        
        try {
            currentStrategy.decrypt(data, size, ctx);
            long duration = System.nanoTime() - startTime;
            monitor.recordSuccess("decrypt", currentStrategy.getAlgorithmName(), duration);
        } catch (Exception e) {
            long duration = System.nanoTime() - startTime;
            monitor.recordFailure("decrypt", currentStrategy.getAlgorithmName(), duration, e);
            tryFallbackDecryption(data, size, ctx);
        }
        
        if (monitor.shouldSwitchStrategy()) {
            switchToBetterStrategy();
        }
    }
    
    public String getAlgorithmName() {
        return "ADAPTIVE_" + currentStrategy.getAlgorithmName();
    }
    
    public int getSecurityLevel() {
        return currentStrategy.getSecurityLevel();
    }
    
    public long getPerformanceRating() {
        return monitor.getOverallPerformanceRating();
    }
    
    public boolean isHardwareAccelerated() {
        return currentStrategy.isHardwareAccelerated();
    }
    
    public boolean isApplicable(EncryptionRequirements reqs) {
        return true; // 自适应策略适用于所有需求
    }
    
    private void tryFallbackEncryption(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        // 使用AES作为后备加密策略
        AesEncryptionStrategy fallback = new AesEncryptionStrategy();
        fallback.encrypt(data, size, ctx);
        monitor.recordFallbackSuccess("encrypt", fallback.getAlgorithmName());
    }
    
    private void tryFallbackDecryption(void* data, size_t size, encryption_context_t* ctx) {
        // 使用AES作为后备解密策略
        AesEncryptionStrategy fallback = new AesEncryptionStrategy();
        fallback.decrypt(data, size, ctx);
        monitor.recordFallbackSuccess("decrypt", fallback.getAlgorithmName());
    }
    
    private void switchToBetterStrategy() {
        String bestAlgorithm = monitor.getBestPerformingAlgorithm();
        this.currentStrategy = createStrategyByAlgorithm(bestAlgorithm);
    }
    
    private EncryptionStrategy createStrategyByAlgorithm(String algorithm) {
        switch (algorithm) {
        case "AES": return new AesEncryptionStrategy();
        case "SM4": return new Sm4EncryptionStrategy();
        case "ChaCha20": return new ChaCha20EncryptionStrategy();
        case "AES-XTS": return new XtsAesEncryptionStrategy();
        default: return new AesEncryptionStrategy();
        }
    }
}

6.2 观察者模式在加密监控中的体现

观察者模式在内存加密监控中的体现:

c 复制代码
// 加密事件接口
interface EncryptionEvent {
    String getEventType();
    long getTimestamp();
    Page getPage();
    EncryptionContext getContext();
    Map<String, Object> getEventData();
    boolean requiresImmediateAction();
}

// 加密事件实现
class EncryptionEventImpl implements EncryptionEvent {
    private String eventType;
    private long timestamp;
    private Page page;
    private EncryptionContext context;
    private Map<String, Object> eventData;
    
    public EncryptionEventImpl(String eventType, Page page, EncryptionContext context, 
                              Map<String, Object> eventData) {
        this.eventType = eventType;
        this.timestamp = System.nanoTime();
        this.page = page;
        this.context = context;
        this.eventData = eventData != null ? eventData : new HashMap<>();
    }
    
    public String getEventType() {
        return eventType;
    }
    
    public long getTimestamp() {
        return timestamp;
    }
    
    public Page getPage() {
        return page;
    }
    
    public EncryptionContext getContext() {
        return context;
    }
    
    public Map<String, Object> getEventData() {
        return eventData;
    }
    
    public boolean requiresImmediateAction() {
        return eventType.contains("FAILURE") || eventType.contains("VIOLATION");
    }
}

// 加密观察者接口
interface EncryptionObserver {
    void onEncryptionEvent(EncryptionEvent event);
    Set<String> getInterestedEventTypes();
    boolean isEnabled();
    int getPriority();
    boolean monitorsAllContexts();
}

// 性能监控观察者
class EncryptionPerformanceObserver implements EncryptionObserver {
    private Map<String, Long> operationCounts = new HashMap<>();
    private Map<String, Long> operationTimes = new HashMap<>();
    private AtomicLong totalOperations = new AtomicLong(0);
    
    public void onEncryptionEvent(EncryptionEvent event) {
        totalOperations.incrementAndGet();
        
        String opType = event.getEventType();
        Long duration = (Long) event.getEventData().get("duration");
        
        if (duration != null) {
            operationCounts.put(opType, operationCounts.getOrDefault(opType, 0L) + 1);
            operationTimes.put(opType, operationTimes.getOrDefault(opType, 0L) + duration);
        }
        
        // 检查性能阈值
        if (duration != null && duration > PERFORMANCE_THRESHOLD) {
            handleSlowOperation(event);
        }
    }
    
    public Set<String> getInterestedEventTypes() {
        return new HashSet<>(Arrays.asList("ENCRYPT_OPERATION", "DECRYPT_OPERATION", 
                                         "KEY_OPERATION"));
    }
    
    public boolean isEnabled() {
        return true;
    }
    
    public int getPriority() {
        return 5;
    }
    
    public boolean monitorsAllContexts() {
        return true;
    }
    
    private void handleSlowOperation(EncryptionEvent event) {
        logSlowEncryptionOperation(event);
        if (isPerformanceDegraded()) {
            triggerPerformanceOptimization();
        }
    }
    
    public double getAverageOperationTime(String opType) {
        Long totalTime = operationTimes.get(opType);
        Long count = operationCounts.get(opType);
        
        if (totalTime != null && count != null && count > 0) {
            return totalTime.doubleValue() / count;
        }
        return 0.0;
    }
    
    public long getTotalOperations() {
        return totalOperations.get();
    }
}

// 安全监控观察者
class EncryptionSecurityObserver implements EncryptionObserver {
    private List<EncryptionEvent> securityEvents = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
    private AtomicInteger securityIncidents = new AtomicInteger(0);
    
    public void onEncryptionEvent(EncryptionEvent event) {
        // 评估安全影响
        SecurityImpact impact = assessSecurityImpact(event);
        
        if (impact != SecurityImpact.NONE) {
            securityEvents.add(event);
            
            if (impact == SecurityImpact.HIGH) {
                securityIncidents.incrementAndGet();
                handleHighSecurityImpact(event);
            }
        }
        
        // 记录安全审计
        auditEncryptionEvent(event, impact);
    }
    
    public Set<String> getInterestedEventTypes() {
        return new HashSet<>(Arrays.asList("ENCRYPT_FAILURE", "DECRYPT_FAILURE", 
                                         "KEY_COMPROMISE", "INTEGRITY_VIOLATION"));
    }
    
    public boolean isEnabled() {
        return true;
    }
    
    public int getPriority() {
        return 10; // 最高优先级
    }
    
    public boolean monitorsAllContexts() {
        return true;
    }
    
    private SecurityImpact assessSecurityImpact(EncryptionEvent event) {
        String eventType = event.getEventType();
        
        if (eventType.contains("KEY_COMPROMISE")) {
            return SecurityImpact.CRITICAL;
        } else if (eventType.contains("INTEGRITY_VIOLATION")) {
            return SecurityImpact.HIGH;
        } else if (eventType.contains("FAILURE")) {
            return SecurityImpact.MEDIUM;
        }
        
        return SecurityImpact.NONE;
    }
    
    private void handleHighSecurityImpact(EncryptionEvent event) {
        // 处理高安全影响事件
        isolateAffectedContext(event.getContext());
        alertSecurityTeam(event);
        initiateSecurityResponse(event);
    }
}

// 调试观察者
class EncryptionDebugObserver implements EncryptionObserver {
    private boolean detailedLogging = false;
    
    public void onEncryptionEvent(EncryptionEvent event) {
        if (detailedLogging || event.requiresImmediateAction()) {
            logDetailedEncryptionEvent(event);
        } else {
            logBasicEncryptionEvent(event);
        }
        
        // 收集调试信息
        collectDebugInformation(event);
        
        // 检查是否需要启用详细日志
        if (shouldEnableDetailedLogging(event)) {
            enableDetailedLogging();
        }
    }
    
    public Set<String> getInterestedEventTypes() {
        return new HashSet<>(Arrays.asList("*")); // 监听所有加密事件
    }
    
    public boolean isEnabled() {
        return isDebugModeEnabled();
    }
    
    public int getPriority() {
        return 1;
    }
    
    public boolean monitorsAllContexts() {
        return true;
    }
    
    private void logBasicEncryptionEvent(EncryptionEvent event) {
        System.out.println("ENCRYPTION EVENT: " + event.getEventType() + 
                          " on page " + event.getPage().toString());
    }
    
    private void logDetailedEncryptionEvent(EncryptionEvent event) {
        System.out.println("=== ENCRYPTION EVENT ===");
        System.out.println("Type: " + event.getEventType());
        System.out.println("Timestamp: " + event.getTimestamp());
        System.out.println("Page: " + event.getPage().toString());
        System.out.println("Context: " + event.getContext().toString());
        System.out.println("Immediate Action: " + event.requiresImmediateAction());
        System.out.println("Data: " + event.getEventData());
        System.out.println("=========================");
    }
    
    private boolean shouldEnableDetailedLogging(EncryptionEvent event) {
        return event.getEventType().contains("FAILURE") || 
               event.getEventType().contains("VIOLATION");
    }
    
    private void enableDetailedLogging() {
        detailedLogging = true;
        System.out.println("ENCRYPTION: Detailed logging enabled due to critical event");
    }
    
    private boolean isDebugModeEnabled() {
        return System.getProperty("encryption.debug.enabled", "false").equals("true");
    }
    
    private void collectDebugInformation(EncryptionEvent event) {
        // 收集页面状态、加密上下文、密钥状态等调试信息
    }
}

// 加密管理器
class EncryptionManager {
    private List<EncryptionObserver> observers = new CopyOnWriteArrayList<>();
    private Executor notificationExecutor;
    
    public EncryptionManager() {
        this.notificationExecutor = Executors.newSingleThreadExecutor();
    }
    
    public void addObserver(EncryptionObserver observer) {
        // 按优先级插入观察者
        insertObserverByPriority(observer);
    }
    
    public void removeObserver(EncryptionObserver observer) {
        observers.remove(observer);
    }
    
    public void notifyEncryptionEvent(EncryptionEvent event) {
        notificationExecutor.submit(() -> {
            for (EncryptionObserver observer : observers) {
                if (observer.isEnabled()) {
                    Set<String> interestedEventTypes = observer.getInterestedEventTypes();
                    
                    if (interestedEventTypes.contains("*") || 
                        interestedEventTypes.contains(event.getEventType())) {
                        try {
                            observer.onEncryptionEvent(event);
                        } catch (Exception e) {
                            logObserverError(observer, event, e);
                        }
                    }
                }
            }
        });
    }
    
    public void reportEncryptionOperation(String opType, Page page, EncryptionContext context, 
                                        long duration, boolean success) {
        Map<String, Object> eventData = new HashMap<>();
        eventData.put("duration", duration);
        eventData.put("success", success);
        eventData.put("operationType", opType);
        
        EncryptionEvent event = new EncryptionEventImpl(opType, page, context, eventData);
        notifyEncryptionEvent(event);
    }
    
    public void reportEncryptionFailure(String failureType, Page page, EncryptionContext context, 
                                      Exception error) {
        Map<String, Object> eventData = new HashMap<>();
        eventData.put("error", error.getMessage());
        eventData.put("errorType", failureType);
        eventData.put("stackTrace", getStackTrace(error));
        
        EncryptionEvent event = new EncryptionEventImpl("ENCRYPTION_FAILURE", page, context, eventData);
        notifyEncryptionEvent(event);
    }
    
    public void reportSecurityViolation(String violationType, Page page, EncryptionContext context) {
        Map<String, Object> eventData = new HashMap<>();
        eventData.put("violationType", violationType);
        eventData.put("processId", getCurrentProcessId());
        eventData.put("timestamp", System.currentTimeMillis());
        
        EncryptionEvent event = new EncryptionEventImpl("SECURITY_VIOLATION", page, context, eventData);
        notifyEncryptionEvent(event);
    }
    
    public void shutdown() {
        notificationExecutor.shutdown();
        try {
            if (!notificationExecutor.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS)) {
                notificationExecutor.shutdownNow();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            notificationExecutor.shutdownNow();
        }
    }
    
    private void insertObserverByPriority(EncryptionObserver newObserver) {
        int i = 0;
        for (EncryptionObserver observer : observers) {
            if (newObserver.getPriority() > observer.getPriority()) {
                break;
            }
            i++;
        }
        observers.add(i, newObserver);
    }
    
    private void logObserverError(EncryptionObserver observer, EncryptionEvent event, Exception e) {
        System.err.println("ENCRYPTION observer error in " + observer.getClass().getSimpleName() + 
                          " processing event " + event.getEventType() + ": " + e.getMessage());
    }
}

// 使用观察者模式
class EncryptionMonitoringSystem {
    private EncryptionManager encryptionManager;
    
    public EncryptionMonitoringSystem() {
        encryptionManager = new EncryptionManager();
        
        // 注册观察者
        encryptionManager.addObserver(new EncryptionPerformanceObserver());
        encryptionManager.addObserver(new EncryptionSecurityObserver());
        encryptionManager.addObserver(new EncryptionDebugObserver());
    }
    
    public void monitorEncryptionOperation(String opType, Page page, EncryptionContext context, 
                                         long duration, boolean success) {
        encryptionManager.reportEncryptionOperation(opType, page, context, duration, success);
    }
    
    public void reportEncryptionFailure(String failureType, Page page, EncryptionContext context, 
                                      Exception error) {
        encryptionManager.reportEncryptionFailure(failureType, page, context, error);
    }
    
    public void reportSecurityViolation(String violationType, Page page, EncryptionContext context) {
        encryptionManager.reportSecurityViolation(violationType, page, context);
    }
}

6.3 模板方法模式在加密操作流程中的体现

模板方法模式在内存加密操作流程中的体现:

c 复制代码
// 加密操作模板
abstract class EncryptionOperationTemplate {
    // 模板方法:定义加密操作的完整流程
    public final EncryptionResult performEncryptionOperation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                           OperationParameters params) {
        // 1. 预操作验证
        ValidationResult validation = preOperationValidation(page, context, params);
        if (!validation.isValid()) {
            return handleValidationFailure(page, context, params, validation);
        }
        
        // 2. 准备操作环境
        prepareOperationEnvironment(page, context, params);
        
        // 3. 执行具体加密操作
        EncryptionResult result = executeEncryptionOperation(page, context, params);
        
        // 4. 验证操作结果
        if (!validateOperationResult(page, context, params, result)) {
            return handleOperationFailure(page, context, params, result);
        }
        
        // 5. 清理操作环境
        cleanupOperationEnvironment(page, context, params);
        
        // 6. 后操作处理
        postOperationProcessing(page, context, params, result);
        
        return result;
    }
    
    // 抽象方法:由子类实现的具体加密操作
    protected abstract EncryptionResult executeEncryptionOperation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                                 OperationParameters params);
    
    // 钩子方法:可以被子类重写
    protected ValidationResult preOperationValidation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                    OperationParameters params) {
        // 默认验证:检查基本条件
        if (!isPageValid(page)) {
            return ValidationResult.invalid("Invalid page");
        }
        
        if (!isEncryptionEnabled(context)) {
            return ValidationResult.invalid("Encryption not enabled for context");
        }
        
        if (!hasRequiredPermissions(context, params)) {
            return ValidationResult.invalid("Insufficient permissions");
        }
        
        if (!isAlgorithmSupported(context, params)) {
            return ValidationResult.invalid("Encryption algorithm not supported");
        }
        
        return ValidationResult.valid();
    }
    
    protected void prepareOperationEnvironment(Page page, EncryptionContext context, 
                                             OperationParameters params) {
        // 默认准备:保存当前状态
        saveCurrentPageState(page);
        prepareEncryptionBuffers(page, params);
        loadEncryptionKeys(context);
    }
    
    protected boolean validateOperationResult(Page page, EncryptionContext context, 
                                            OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        // 默认验证:检查操作成功
        return result.isSuccessful() && verifyEncryptionIntegrity(page, context, params);
    }
    
    protected void cleanupOperationEnvironment(Page page, EncryptionContext context, 
                                             OperationParameters params) {
        // 默认清理:清理临时缓冲区
        cleanupEncryptionBuffers(page);
        clearSensitiveDataFromCache();
    }
    
    protected void postOperationProcessing(Page page, EncryptionContext context, 
                                         OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        // 默认后处理:更新统计信息
        updateEncryptionStatistics(context, params.getOperationType(), result);
        logOperationCompletion(page, context, params, result);
        notifyOperationCompletion(page, context, result);
    }
    
    // 私有方法:处理各种失败情况
    private EncryptionResult handleValidationFailure(Page page, EncryptionContext context, 
                                                   OperationParameters params, ValidationResult validation) {
        logValidationFailure(page, context, params, validation);
        return EncryptionResult.failure("Validation failed: " + validation.getMessage());
    }
    
    private EncryptionResult handleOperationFailure(Page page, EncryptionContext context, 
                                                  OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        logOperationFailure(page, context, params, result);
        attemptOperationRecovery(page, context, params);
        return EncryptionResult.failure("Operation failed: " + result.getErrorMessage());
    }
}

// 页面加密操作实现
class PageEncryptionOperation extends EncryptionOperationTemplate {
    protected EncryptionResult executeEncryptionOperation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                        OperationParameters params) {
        try {
            // 获取页面数据
            void* pageData = getPageData(page);
            
            // 选择加密策略
            EncryptionStrategy strategy = selectEncryptionStrategy(context, params);
            
            // 执行加密
            long startTime = System.nanoTime();
            strategy.encrypt(pageData, PAGE_SIZE, context);
            long duration = System.nanoTime() - startTime;
            
            // 设置页面加密状态
            setPageEncrypted(page, true);
            
            // 计算并存储完整性哈希
            calculateAndStoreIntegrityHash(page, context);
            
            return EncryptionResult.success(duration);
            
        } catch (Exception e) {
            return EncryptionResult.failure("Page encryption failed: " + e.getMessage());
        }
    }
    
    protected ValidationResult preOperationValidation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                    OperationParameters params) {
        ValidationResult baseValidation = super.preOperationValidation(page, context, params);
        if (!baseValidation.isValid()) {
            return baseValidation;
        }
        
        // 页面加密特定验证
        if (isPageEncrypted(page)) {
            return ValidationResult.invalid("Page is already encrypted");
        }
        
        if (!isPageDataValid(page)) {
            return ValidationResult.invalid("Page data validation failed");
        }
        
        if (!hasEnoughEntropyForEncryption()) {
            return ValidationResult.invalid("Insufficient entropy for encryption");
        }
        
        return ValidationResult.valid();
    }
    
    protected boolean validateOperationResult(Page page, EncryptionContext context, 
                                            OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        if (!super.validateOperationResult(page, context, params, result)) {
            return false;
        }
        
        // 验证页面已加密
        return isPageEncrypted(page) && verifyPageEncryptionIntegrity(page, context);
    }
    
    protected void postOperationProcessing(Page page, EncryptionContext context, 
                                         OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        super.postOperationProcessing(page, context, params, result);
        
        // 页面加密特定后处理
        updatePageEncryptionMetadata(page, context);
        triggerPageEncryptionNotifications(page, context);
    }
}

// 页面解密操作实现
class PageDecryptionOperation extends EncryptionOperationTemplate {
    protected EncryptionResult executeEncryptionOperation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                        OperationParameters params) {
        try {
            // 验证完整性哈希
            if (!verifyIntegrityHash(page, context)) {
                return EncryptionResult.failure("Integrity verification failed");
            }
            
            // 获取页面数据
            void* pageData = getPageData(page);
            
            // 选择解密策略
            EncryptionStrategy strategy = selectDecryptionStrategy(context, params);
            
            // 执行解密
            long startTime = System.nanoTime();
            strategy.decrypt(pageData, PAGE_SIZE, context);
            long duration = System.nanoTime() - startTime;
            
            // 清除页面加密状态
            setPageEncrypted(page, false);
            
            // 清除完整性哈希
            clearIntegrityHash(page);
            
            return EncryptionResult.success(duration);
            
        } catch (Exception e) {
            return EncryptionResult.failure("Page decryption failed: " + e.getMessage());
        }
    }
    
    protected ValidationResult preOperationValidation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                    OperationParameters params) {
        ValidationResult baseValidation = super.preOperationValidation(page, context, params);
        if (!baseValidation.isValid()) {
            return baseValidation;
        }
        
        // 页面解密特定验证
        if (!isPageEncrypted(page)) {
            return ValidationResult.invalid("Page is not encrypted");
        }
        
        if (!verifyIntegrityHash(page, context)) {
            return ValidationResult.invalid("Integrity hash verification failed");
        }
        
        return ValidationResult.valid();
    }
    
    protected boolean validateOperationResult(Page page, EncryptionContext context, 
                                            OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        if (!super.validateOperationResult(page, context, params, result)) {
            return false;
        }
        
        // 验证页面已解密
        return !isPageEncrypted(page) && verifyPageDecryptionIntegrity(page);
    }
    
    protected void postOperationProcessing(Page page, EncryptionContext context, 
                                         OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        super.postOperationProcessing(page, context, params, result);
        
        // 页面解密特定后处理
        updatePageDecryptionMetadata(page, context);
        triggerPageDecryptionNotifications(page, context);
    }
}

// 密钥轮换操作实现
class KeyRotationOperation extends EncryptionOperationTemplate {
    protected EncryptionResult executeEncryptionOperation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                        OperationParameters params) {
        try {
            // 生成新密钥
            EncryptionKey newKey = generateNewEncryptionKey(context);
            
            // 重新加密页面数据
            reencryptPageDataWithNewKey(page, context, newKey);
            
            // 更新上下文密钥
            updateContextWithNewKey(context, newKey);
            
            // 安全删除旧密钥
            securelyDeleteOldKey(context);
            
            return EncryptionResult.success(0); // 密钥轮换通常不计时
            
        } catch (Exception e) {
            return EncryptionResult.failure("Key rotation failed: " + e.getMessage());
        }
    }
    
    protected ValidationResult preOperationValidation(Page page, EncryptionContext context, 
                                                    OperationParameters params) {
        ValidationResult baseValidation = super.preOperationValidation(page, context, params);
        if (!baseValidation.isValid()) {
            return baseValidation;
        }
        
        // 密钥轮换特定验证
        if (!isKeyRotationAllowed(context)) {
            return ValidationResult.invalid("Key rotation not allowed for context");
        }
        
        if (!hasKeyRotationPermissions(context)) {
            return ValidationResult.invalid("Insufficient permissions for key rotation");
        }
        
        return ValidationResult.valid();
    }
    
    protected boolean validateOperationResult(Page page, EncryptionContext context, 
                                            OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        if (!super.validateOperationResult(page, context, params, result)) {
            return false;
        }
        
        // 验证密钥已更新
        return isContextUsingNewKey(context) && verifyPageReencryptionIntegrity(page, context);
    }
    
    protected void postOperationProcessing(Page page, EncryptionContext context, 
                                         OperationParameters params, EncryptionResult result) {
        super.postOperationProcessing(page, context, params, result);
        
        // 密钥轮换特定后处理
        updateKeyRotationMetadata(context);
        triggerKeyRotationNotifications(context);
        auditKeyRotationEvent(context);
    }
}

// 操作执行器
class EncryptionOperationExecutor {
    public EncryptionResult executeOperation(String operationType, Page page, 
                                           EncryptionContext context, OperationParameters params) {
        EncryptionOperationTemplate operation = createOperation(operationType);
        return operation.performEncryptionOperation(page, context, params);
    }
    
    private EncryptionOperationTemplate createOperation(String operationType) {
        switch (operationType) {
        case "ENCRYPT":
            return new PageEncryptionOperation();
        case "DECRYPT":
            return new PageDecryptionOperation();
        case "KEY_ROTATION":
            return new KeyRotationOperation();
        default:
            throw new IllegalArgumentException("Unknown operation type: " + operationType);
        }
    }
}

// 使用模板方法模式
class MemoryEncryptionSystem {
    private EncryptionOperationExecutor executor;
    
    public MemoryEncryptionSystem() {
        this.executor = new EncryptionOperationExecutor();
    }
    
    public EncryptionResult encryptPage(Page page, EncryptionContext context) {
        OperationParameters params = new OperationParameters("ENCRYPT");
        return executor.executeOperation("ENCRYPT", page, context, params);
    }
    
    public EncryptionResult decryptPage(Page page, EncryptionContext context) {
        OperationParameters params = new OperationParameters("DECRYPT");
        return executor.executeOperation("DECRYPT", page, context, params);
    }
    
    public EncryptionResult rotateEncryptionKey(Page page, EncryptionContext context) {
        OperationParameters params = new OperationParameters("KEY_ROTATION");
        return executor.executeOperation("KEY_ROTATION", page, context, params);
    }
    
    public EncryptionResult performCustomOperation(String operationType, Page page, 
                                                 EncryptionContext context, OperationParameters params) {
        return executor.executeOperation(operationType, page, context, params);
    }
}

7. 状态机分析

ARM64 mm mem_encrypt的状态机:

复制代码
未初始化 -> 初始化中 -> 密钥生成中 -> 上下文创建中 -> 活跃状态 -> 加密操作中 -> 解密操作中 -> 密钥轮换中 -> 完成状态
     ↑                                                                                                                                ↓
硬件不支持 <--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
     ↑                                                                                                                                ↓
密钥生成失败 <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
     ↑                                                                                                                                ↓
上下文创建失败 <----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
     ↑                                                                                                                                ↓
加密操作失败 <------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
     ↑                                                                                                                                ↓
安全违规 <----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

8. 性能优化分析

8.1 内存加密性能优化

内存加密的性能优化:

c 复制代码
// 加密快速路径优化
EncryptionResult fast_encrypt_page(Page page, EncryptionContext context)
{
    // 检查是否可以使用快速路径
    if (likely(can_use_fast_path(page, context))) {
        // 快速路径:硬件加速加密
        return hw_accelerated_encrypt(page, context);
    } else {
        // 慢速路径:标准加密流程
        return standard_encrypt_page(page, context);
    }
}

// 批量加密操作优化
int batch_encrypt_pages(Page* pages, int count, EncryptionContext context)
{
    int i, success_count = 0;
    
    // 预处理批量操作
    preprocess_batch_encryption(pages, count, context);
    
    // 批量执行加密
    for (i = 0; i < count; i++) {
        if (encrypt_single_page(pages[i], context) == SUCCESS) {
            success_count++;
        }
    }
    
    // 后处理批量操作
    postprocess_batch_encryption(pages, count, context);
    
    return success_count;
}

// 加密预取优化
void encrypt_prefetch_optimization(Page page, EncryptionContext context)
{
    // 预取页面数据
    prefetch_page_data(page);
    
    // 预取加密上下文
    prefetch_encryption_context(context);
    
    // 预取加密密钥
    prefetch_encryption_key(context);
}

8.2 缓存和内存优化

缓存和内存的优化:

c 复制代码
// 加密缓存管理优化
struct encryption_cache {
    Page* cached_pages[MAX_CACHE_SIZE];
    void* encrypted_data[MAX_CACHE_SIZE];
    unsigned long access_times[MAX_CACHE_SIZE];
    bool cache_valid[MAX_CACHE_SIZE];
};

// 缓存查找优化
void* find_in_encryption_cache(Page page, bool encrypted)
{
    struct encryption_cache *cache = get_encryption_cache();
    int i;
    
    // 使用哈希查找优化
    int hash_index = hash_page_to_cache_index(page);
    
    for (i = 0; i < CACHE_PROBE_COUNT; i++) {
        int index = (hash_index + i) % MAX_CACHE_SIZE;
        
        if (cache->cache_valid[index] && 
            cache->cached_pages[index] == page) {
            // 更新访问时间
            cache->access_times[index] = jiffies;
            return encrypted ? cache->encrypted_data[index] : NULL;
        }
    }
    
    return NULL;
}

// 内存布局优化
void optimize_encryption_memory_layout(void)
{
    // 优化加密缓冲区的内存布局
    align_encryption_buffers();
    
    // 预分配加密相关的页表
    preallocate_encryption_page_tables();
    
    // 优化加密数据访问模式
    optimize_encryption_data_access();
}

// 自适应性能调整
void adaptive_encryption_performance_tuning(void)
{
    struct encryption_performance_metrics metrics;
    
    // 收集性能指标
    collect_encryption_performance_metrics(&metrics);
    
    // 分析性能瓶颈
    analyze_encryption_performance_bottlenecks(&metrics);
    
    // 应用性能优化
    apply_encryption_performance_optimizations(&metrics);
}

9. 安全性考虑

9.1 内存加密安全防护

内存加密的安全防护:

c 复制代码
// 加密完整性保护
int encryption_integrity_protection(Page page, EncryptionContext context)
{
    // 验证页面加密完整性
    if (!verify_page_encryption_integrity(page, context))
        return -EFAULT;
    
    // 验证加密上下文完整性
    if (!verify_context_integrity(context))
        return -EFAULT;
    
    // 验证密钥完整性
    if (!verify_key_integrity(context))
        return -EFAULT;
    
    return 0;
}

// 加密攻击检测
void encryption_attack_detection(void)
{
    // 检测密钥泄露攻击
    detect_key_leakage_attacks();
    
    // 检测加密旁路攻击
    detect_encryption_bypass_attacks();
    
    // 检测重放攻击
    detect_replay_attacks();
    
    // 检测拒绝服务攻击
    detect_dos_attacks();
}

// 安全审计
void encryption_security_auditing(Page page, EncryptionContext context, 
                                const char *operation)
{
    // 记录安全审计信息
    audit_log(AUDIT_ENCRYPTION_OPERATION, page, context, operation);
    
    // 分析安全趋势
    analyze_encryption_security_trends(page, context);
    
    // 生成安全报告
    generate_encryption_security_report();
}

9.2 访问控制和权限管理

访问控制和权限管理:

c 复制代码
// 加密访问控制
int encryption_access_control(Page page, EncryptionContext context, int flags)
{
    // 检查访问权限
    if (!check_encryption_access_permissions(page, context, flags))
        return -EACCES;
    
    // 验证加密上下文权限
    if (!validate_context_permissions(context, flags))
        return -EACCES;
    
    // 检查访问模式
    if (!check_access_mode_compatibility(page, flags))
        return -EINVAL;
    
    return 0;
}

// 权限验证
bool check_encryption_access_permissions(Page page, EncryptionContext context, int flags)
{
    // 检查进程权限
    if (!capable(CAP_SYS_ADMIN) && context->owner != current->mm) {
        // 非特权用户只能访问自己的加密上下文
        return false;
    }
    
    // 检查页面特定权限
    return check_page_encryption_permissions(page, flags);
}

// 加密隔离
void encryption_isolation(Page page, EncryptionContext context)
{
    // 隔离加密页面
    isolate_encrypted_page(page);
    
    // 隔离加密上下文
    isolate_encryption_context(context);
    
    // 防止跨上下文访问
    prevent_cross_context_access(context);
}

10. 扩展性分析

10.1 多架构支持

跨架构的内存加密扩展:

c 复制代码
// 架构特定的加密接口
struct arch_encryption_ops {
    const char *arch_name;
    
    // 加密基本操作
    void (*encrypt_page)(Page page, EncryptionContext context);
    void (*decrypt_page)(Page page, EncryptionContext context);
    bool (*encryption_supported)(void);
    
    // 硬件加速接口
    bool (*hw_encryption_available)(void);
    void (*hw_encrypt_page)(Page page, EncryptionContext context);
    void (*hw_decrypt_page)(Page page, EncryptionContext context);
    
    // 性能优化接口
    size_t (*get_encryption_buffer_size)(void);
    int (*get_encryption_optimization_hints)(void);
};

// ARM64加密操作实现
static const struct arch_encryption_ops arm64_encryption_ops = {
    .arch_name = "arm64",
    .encrypt_page = arm64_encrypt_page,
    .decrypt_page = arm64_decrypt_page,
    .encryption_supported = arm64_encryption_supported,
    .hw_encryption_available = arm64_hw_encryption_available,
    .hw_encrypt_page = arm64_hw_encrypt_page,
    .hw_decrypt_page = arm64_hw_decrypt_page,
    .get_encryption_buffer_size = arm64_get_encryption_buffer_size,
    .get_encryption_optimization_hints = arm64_get_encryption_optimization_hints,
};

// 运行时架构选择
static const struct arch_encryption_ops *select_arch_encryption_ops(void)
{
#ifdef CONFIG_ARM64
    return &arm64_encryption_ops;
#else
    return NULL;
#endif
}

10.2 功能扩展

内存加密功能扩展:

c 复制代码
// 高级加密功能扩展
struct advanced_encryption_features {
    bool support_hardware_acceleration;    // 支持硬件加速
    bool support_encryption_compression;   // 支持加密压缩
    bool support_runtime_reconfiguration;  // 支持运行时重配置
    bool support_encryption_virtualization; // 支持加密虚拟化
    bool support_encryption_profiling;     // 支持加密分析
    bool support_encryption_debugging;     // 支持加密调试
};

// 加密扩展API
struct extended_encryption_api {
    // 硬件加速支持
    int (*enable_hw_acceleration)(void);
    int (*disable_hw_acceleration)(void);
    int (*query_hw_acceleration_status)(void);
    
    // 加密压缩支持
    int (*enable_encryption_compression)(CompressionConfig *config);
    int (*disable_encryption_compression)(void);
    int (*get_compression_ratio)(void);
    
    // 运行时重配置支持
    int (*update_runtime_config)(EncryptionRuntimeConfig *config);
    int (*get_current_config)(EncryptionRuntimeConfig *config);
    int (*validate_config)(EncryptionRuntimeConfig *config);
    
    // 加密虚拟化支持
    int (*create_encryption_guest_context)(EncryptionGuestContext *guest_ctx);
    int (*destroy_encryption_guest_context)(int guest_id);
    int (*switch_encryption_context)(int guest_id);
    
    // 加密分析支持
    int (*start_encryption_profiling)(ProfilingConfig *config);
    int (*stop_encryption_profiling)(void);
    int (*get_encryption_profile_report)(ProfileReport *report);
    
    // 加密调试支持
    int (*enable_encryption_debugging)(DebugConfig *config);
    int (*disable_encryption_debugging)(void);
    int (*dump_encryption_debug_info)(SeqFile *m, Page page);
};

11. 调试和维护

11.1 内存加密调试支持

内存加密调试支持:

c 复制代码
// 加密调试宏
#define ENCRYPTION_DEBUG(fmt, ...) \
    pr_debug("ENCRYPTION: " fmt, ##__VA_ARGS__)

#define ENCRYPTION_DEBUG_ENCRYPT(page, context) \
    ENCRYPTION_DEBUG("encrypting page %lx in context %px\n", \
                    page_to_pfn(page), context)

#define ENCRYPTION_DEBUG_DECRYPT(page, context) \
    ENCRYPTION_DEBUG("decrypting page %lx in context %px\n", \
                    page_to_pfn(page), context)

// 详细调试模式
#ifdef CONFIG_ENCRYPTION_DEBUG
static void encryption_debug_operation(const char *operation, Page page,
                                     EncryptionContext context, int result)
{
    ENCRYPTION_DEBUG("=== ENCRYPTION DEBUG ===");
    ENCRYPTION_DEBUG("Operation: %s", operation);
    ENCRYPTION_DEBUG("Page: %px, PFN: %lx", page, page_to_pfn(page));
    ENCRYPTION_DEBUG("Context: %px", context);
    ENCRYPTION_DEBUG("Result: %d", result);
    
    // 调试加密状态
    debug_encryption_state(page, context);
    
    ENCRYPTION_DEBUG("=== END ENCRYPTION DEBUG ===");
}
#endif

11.2 错误检测和恢复

内存加密错误处理:

c 复制代码
// 加密错误检测
int detect_encryption_errors(Page page, EncryptionContext context, int operation)
{
    // 检查页面加密状态
    if (!validate_page_encryption_state(page))
        return -EFAULT;
    
    // 检查加密上下文状态
    if (!validate_encryption_context_state(context))
        return -EFAULT;
    
    // 检查硬件加密状态
    if (!validate_hw_encryption_state())
        return -EFAULT;
    
    return 0;
}

// 错误恢复机制
int recover_encryption_error(Page page, EncryptionContext context,
                           int error_code, int operation)
{
    ENCRYPTION_DEBUG("Attempting encryption error recovery: %d\n", error_code);
    
    switch (error_code) {
    case -EFAULT:
        // 尝试重新初始化加密
        return reinitialize_page_encryption(page, context);
        
    case -EINVAL:
        // 验证并修复加密参数
        return validate_and_fix_encryption_params(page, context, operation);
        
    default:
        ENCRYPTION_DEBUG("Unrecoverable encryption error\n");
        return error_code;
    }
}

// 加密状态验证
static int validate_encryption_state(Page page, EncryptionContext context)
{
    // 验证页面加密完整性
    if (!verify_page_encryption_integrity(page, context))
        return -EFAULT;
    
    // 验证加密上下文有效性
    if (!validate_encryption_context_validity(context))
        return -EFAULT;
    
    // 验证加密配置一致性
    if (!validate_encryption_configuration_consistency(page, context))
        return -EFAULT;
    
    return 0;
}

12. 总结

ARM64 mm mem_encrypt子模块作为ARM64内存管理子系统中内存加密功能的核心组件,通过完整的页面加密、解密和密钥管理功能,为ARM64平台提供了强大的数据加密保护能力。该模块实现了硬件加速加密、密钥安全管理和加密上下文维护等高级功能,在保证内存数据安全性的同时提供了高效的加密操作,是ARM64内存安全防护的关键技术。

源码分析显示,模块采用了策略模式、观察者模式和模板方法模式等多种设计模式,为内存加密和管理提供了灵活可靠的实现框架。

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