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Linux内存page,【原创】（十四）Linux内存管理之page fault处理

發(fā)布時間：2024/4/17 linux 37 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Linux内存page,【原创】（十四）Linux内存管理之page fault处理小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

背景

Read the fucking source code! --By 魯迅

A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

Kernel版本：4.14

ARM64處理器，Contex-A53，雙核

使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

上篇文章分析到malloc/mmap函數(shù)中，內(nèi)核實現(xiàn)只是在進(jìn)程的地址空間建立好了vma區(qū)域，并沒有實際的虛擬地址到物理地址的映射操作。這部分就是在Page Fault異常錯誤處理中實現(xiàn)的。

Linux內(nèi)核中的Page Fault異常處理很復(fù)雜，涉及的細(xì)節(jié)也很多，malloc/mmap的物理內(nèi)存映射只是它的一個子集功能，下圖大概涵蓋了出現(xiàn)Page Fault的情況：

下邊就開始來啃啃硬骨頭吧。

2. Arm64處理

Page Fault的異常處理，依賴于體系結(jié)構(gòu)，因此有必要來介紹一下Arm64的處理。

代碼主要參考：arch/arm64/kernel/entry.S。

Arm64在取指令或者訪問數(shù)據(jù)時，需要把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址，這個過程需要進(jìn)行幾種檢查，在不滿足的情況下都能造成異常：

地址的合法性，比如以39有效位地址為例，內(nèi)核地址的高25位為全1，用戶進(jìn)程地址的高25位為全0；

地址的權(quán)限檢查，這里邊的權(quán)限位都位于頁表條目中；

從上圖中可以看到，最后都會調(diào)到do_mem_abort函數(shù)，這個函數(shù)比較簡單，直接看代碼，位于arch/arm64/mm/fault.c：

* Dispatch a data abort to the relevant handler.

asmlinkage void __exception do_mem_abort(unsigned long addr, unsigned int esr,

struct pt_regs *regs)

{

const struct fault_info *inf = esr_to_fault_info(esr);

struct siginfo info;

if (!inf->fn(addr, esr, regs))

return;

pr_alert("Unhandled fault: %s (0x%08x) at 0x%016lx\n",

inf->name, esr, addr);

mem_abort_decode(esr);

info.si_signo = inf->sig;

info.si_errno = 0;

info.si_code = inf->code;

info.si_addr = (void __user *)addr;

arm64_notify_die("", regs, &info, esr);

}

該函數(shù)中關(guān)鍵的處理：根據(jù)傳進(jìn)來的esr獲取fault_info信息，從而去調(diào)用函數(shù)。struct fault_info用于錯誤狀態(tài)下對應(yīng)的處理方法，而內(nèi)核中也定義了全局結(jié)構(gòu)fault_info，存放了所有的情況。

主要的錯誤狀態(tài)和處理函數(shù)對應(yīng)如下：

static const struct fault_info fault_info[] = {

{ do_bad,SIGBUS, 0,"ttbr address size fault"},

{ do_bad,SIGBUS, 0,"level 1 address size fault"},

{ do_bad,SIGBUS, 0,"level 2 address size fault"},

{ do_bad,SIGBUS, 0,"level 3 address size fault"},

{ do_translation_fault,SIGSEGV, SEGV_MAPERR,"level 0 translation fault"},

{ do_translation_fault,SIGSEGV, SEGV_MAPERR,"level 1 translation fault"},

{ do_translation_fault,SIGSEGV, SEGV_MAPERR,"level 2 translation fault"},

{ do_translation_fault,SIGSEGV, SEGV_MAPERR,"level 3 translation fault"},

{ do_bad,SIGBUS, 0,"unknown 8"},

{ do_page_fault,SIGSEGV, SEGV_ACCERR,"level 1 access flag fault"},

{ do_page_fault,SIGSEGV, SEGV_ACCERR,"level 2 access flag fault"},

{ do_page_fault,SIGSEGV, SEGV_ACCERR,"level 3 access flag fault"},

{ do_bad,SIGBUS, 0,"unknown 12"},

{ do_page_fault,SIGSEGV, SEGV_ACCERR,"level 1 permission fault"},

{ do_page_fault,SIGSEGV, SEGV_ACCERR,"level 2 permission fault"},

{ do_page_fault,SIGSEGV, SEGV_ACCERR,"level 3 permission fault"},

...

};

從代碼中可以看出：

出現(xiàn)0/1/2/3級頁表轉(zhuǎn)換錯誤時，會調(diào)用do_translation_fault，實際中do_translation_fault最終也會調(diào)用到do_page_fault；

出現(xiàn)1/2/3級頁表訪問權(quán)限的時候，會調(diào)用do_page_fault；

其他的錯誤則調(diào)用do_bad，其中未列出來的部分還包括do_sea等操作函數(shù)；

do_translation_fault

do_page_fault

do_page_fault函數(shù)為頁錯誤異常處理的核心函數(shù)，與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)，上圖中的handle_mm_fault函數(shù)為通用函數(shù)，也就是不管哪種處理器結(jié)構(gòu)，最終都會調(diào)用到該函數(shù)。

3. handle_mm_fault

handle_mm_fault用于處理用戶空間的頁錯誤異常：

進(jìn)程在用戶模式下訪問用戶虛擬地址，觸發(fā)頁錯誤異常；

進(jìn)程在內(nèi)核模式下訪問用戶虛擬地址，觸發(fā)頁錯誤異常；

從do_page_fault函數(shù)的流程圖中也能看出來，當(dāng)觸發(fā)異常的虛擬地址屬于某個vma，并且擁有觸發(fā)頁錯誤異常的權(quán)限時，會調(diào)用到handle_mm_fault函數(shù)，而handle_mm_fault函數(shù)的主要邏輯是通過__handle_mm_fault來實現(xiàn)的。

流程如下圖：

3.1 do_fault

do_fault函數(shù)用于處理文件頁異常，包括以下三種情況：

讀文件頁錯誤；

寫私有文件頁錯誤；

寫共享文件頁錯誤；

3.2 do_anonymous_page

匿名頁的缺頁異常處理調(diào)用本函數(shù)，在以下情況下會觸發(fā)：

malloc/mmap分配了進(jìn)程地址空間區(qū)域，但是沒有進(jìn)行映射處理，在首次訪問時觸發(fā)；

用戶棧不夠的情況下，進(jìn)行棧區(qū)的擴(kuò)大處理；

3.3 do_swap_page

如果訪問Swap頁面出錯(頁面不在內(nèi)存中)，則從Swap cache或Swap文件中讀取該頁面。

由于在4.14內(nèi)核版本中，do_swap_page調(diào)用的很多函數(shù)都是空函數(shù)，無法進(jìn)一步的了解，大體的流程如下圖：

3.4 do_wp_page

do_wp_page函數(shù)用于處理寫時復(fù)制(copy on write)，會在以下兩種情況處理：

創(chuàng)建子進(jìn)程時，父子進(jìn)程會以只讀方式共享私有的匿名頁和文件頁，當(dāng)試圖寫的時候，觸發(fā)頁錯誤異常，從而復(fù)制物理頁，并創(chuàng)建映射；

進(jìn)程創(chuàng)建私有文件映射，讀訪問后觸發(fā)異常，將文件頁讀入到page cache中，并以只讀模式創(chuàng)建映射，之后發(fā)生寫訪問后，觸發(fā)COW；

關(guān)鍵的復(fù)制工作是由wp_page_copy完成的：

【原創(chuàng)】(十)Linux內(nèi)存管理 - zoned page frame allocator - 5