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

發布時間：2024/4/17 linux 38 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函數中，內核實現只是在進程的地址空間建立好了vma區域，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的。

Linux內核中的Page Fault異常處理很復雜，涉及的細節也很多，malloc/mmap的物理內存映射只是它的一個子集功能，下圖大概涵蓋了出現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，依賴于體系結構，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據時，需要把虛擬地址轉換成物理地址，這個過程需要進行幾種檢查，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，內核地址的高25位為全1，用戶進程地址的高25位為全0；

地址的權限檢查，這里邊的權限位都位于頁表條目中；

從上圖中可以看到，最后都會調到do_mem_abort函數，這個函數比較簡單，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);

}

該函數中關鍵的處理：根據傳進來的esr獲取fault_info信息，從而去調用函數。struct fault_info用于錯誤狀態下對應的處理方法，而內核中也定義了全局結構fault_info，存放了所有的情況。

主要的錯誤狀態和處理函數對應如下：

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0/1/2/3級頁表轉換錯誤時，會調用do_translation_fault，實際中do_translation_fault最終也會調用到do_page_fault；

出現1/2/3級頁表訪問權限的時候，會調用do_page_fault；

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

do_translation_fault

do_page_fault

do_page_fault函數為頁錯誤異常處理的核心函數，與體系結構相關，上圖中的handle_mm_fault函數為通用函數，也就是不管哪種處理器結構，最終都會調用到該函數。

3. handle_mm_fault

handle_mm_fault用于處理用戶空間的頁錯誤異常：

進程在用戶模式下訪問用戶虛擬地址，觸發頁錯誤異常；

進程在內核模式下訪問用戶虛擬地址，觸發頁錯誤異常；

從do_page_fault函數的流程圖中也能看出來，當觸發異常的虛擬地址屬于某個vma，并且擁有觸發頁錯誤異常的權限時，會調用到handle_mm_fault函數，而handle_mm_fault函數的主要邏輯是通過__handle_mm_fault來實現的。

流程如下圖：

3.1 do_fault

do_fault函數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用本函數，在以下情況下會觸發：

malloc/mmap分配了進程地址空間區域，但是沒有進行映射處理，在首次訪問時觸發；

用戶棧不夠的情況下，進行棧區的擴大處理；

3.3 do_swap_page

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

由于在4.14內核版本中，do_swap_page調用的很多函數都是空函數，無法進一步的了解，大體的流程如下圖：

3.4 do_wp_page

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

創建子進程時，父子進程會以只讀方式共享私有的匿名頁和文件頁，當試圖寫的時候，觸發頁錯誤異常，從而復制物理頁，并創建映射；

進程創建私有文件映射，讀訪問后觸發異常，將文件頁讀入到page cache中，并以只讀模式創建映射，之后發生寫訪問后，觸發COW；

關鍵的復制工作是由wp_page_copy完成的：

【原創】(十)Linux內存管理 - zoned page frame allocator - 5