linux进程地址空间(2) 缺页异常详解(1)原理和内核缺页异常处理

首先明确下什么是缺页异常，CPU通过地址总线可以访问连接在地址总线上的所有外设，包括物理内存、IO设备等等，但从CPU发出的访问地址并非是这些外设在地址总线上的物理地址，而是一个虚拟地址，由MMU将虚拟地址转换成物理地址再从地址总线上发出，MMU上的这种虚拟地址和物理地址的转换关系是需要创建的，并且MMU还可以设置这个物理页是否可以进行写操作，当没有创建一个虚拟地址到物理地址的映射，或者创建了这样的映射，但那个物理页不可写的时候，MMU将会通知CPU产生了一个缺页异常。

下面总结下缺页异常的几种情况：

1、当MMU中确实没有创建虚拟页物理页映射关系，并且在该虚拟地址之后再没有当前进程的线性区vma的时候，可以肯定这是一个编码错误，这将杀掉该进程；

2、当MMU中确实没有创建虚拟页物理页映射关系，并且在该虚拟地址之后存在当前进程的线性区vma的时候，这很可能是缺页异常，并且可能是栈溢出导致的缺页异常；

3、当使用malloc/mmap等希望访问物理空间的库函数/系统调用后，由于linux并未真正给新创建的vma映射物理页，此时若先进行写操作，将如上面的2的情况产生缺页异常，若先进行读操作虽也会产生缺页异常，将被映射给默认的零页(zero_pfn)，等再进行写操作时，仍会产生缺页异常，这次必须分配物理页了，进入写时复制的流程；

4、当使用fork等系统调用创建子进程时，子进程不论有无自己的vma，“它的”vma都有对于物理页的映射，但它们共同映射的这些物理页属性为只读，即linux并未给子进程真正分配物理页，当父子进程任何一方要写相应物理页时，导致缺页异常的写时复制；

目前来看，应该就是这四种情况，还是比较清晰的，可发现一个重要规律就是，linux是直到实在不行的时候才会分配物理页，把握这个原则理解的会好一些，下面详细的看缺页处理：

arm的缺页处理函数为arch/arm/mm/fault.c文件中的do_page_fault函数，关于缺页异常是怎么一步步调到这个函数的，同上一篇位置进程地址空间创建说的一样，后面会有专题文章描述这个问题，现在只关心缺页异常的处理，下面是函数do_page_fault：

static int __kprobes

do_page_fault(unsigned long addr, unsigned int fsr, struct pt_regs *regs)

{

struct task_struct *tsk;

struct mm_struct *mm;

int fault, sig, code;

/*空函数*/

if (notify_page_fault(regs, fsr))

return 0;

/*获取到缺页异常的进程描述符和其内存描述符*/

tsk = current;

mm = tsk->mm;

/*

* If we're in an interrupt or have no user

* context, we must not take the fault..

*/

/*1、判断当前是否是在原子操作中(中断、可延迟函数、临界区)发生的异常

2、通过mm是否存在判断是否是内核线程，对于内核线程，进程描述符的mm总为NULL


一旦成立，说明是在内核态中发生的异常，跳到标号no_context*/

if (in_atomic() || !mm)

goto no_context;

/*

* As per x86, we may deadlock here. However, since the kernel only

* validly references user space from well defined areas of the code,

* we can bug out early if this is from code which shouldn't.

*/

if (!down_read_trylock(&mm->mmap_sem)) {

if (!user_mode(regs) && !search_exception_tables(regs->ARM_pc))

goto no_context;

down_read(&mm->mmap_sem);

} else {

/*

* The above down_read_trylock() might have succeeded in

* which case, we'll have missed the might_sleep() from

* down_read()

*/

might_sleep();

#ifdef CONFIG_DEBUG_VM

if (!user_mode(regs) &&

!search_exception_tables(regs->ARM_pc))

goto no_context;

#endif

}

fault = __do_page_fault(mm, addr, fsr, tsk);

up_read(&mm->mmap_sem);

/*

* Handle the "normal" case first - VM_FAULT_MAJOR / VM_FAULT_MINOR

*/

/*如果返回值fault不是这里面的值，那么应该会是VM_FAULT_MAJOR或VM_FAULT_MINOR，说明问题解决了，返回，一般正常情况下，__do_page_fault的返回值fault会是0(VM_FAULT_MINOR)或者其他一些值，都不是下面之后会看到的这些*/

if (likely(!(fault & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_BADMAP | VM_FAULT_BADACCESS))))

return 0;

/*如果fault是VM_FAULT_OOM这个级别的错误，那么这要杀掉进程*/

if (fault & VM_FAULT_OOM) {

/*

* We ran out of memory, call the OOM killer, and return to

* userspace (which will retry the fault, or kill us if we

* got oom-killed)

*/

pagefault_out_of_memory();

return 0;

}

/*

* If we are in kernel mode at this point, we

* have no context to handle this fault with.

*/

/*再次判断是否是内核空间出现了页异常，并且通过__do_page_fault没有没有解决，跳到到no_context*/

if (!user_mode(regs))

goto no_context;

/*下面两个情况，通过英文注释可以理解，


一个是无法修复，另一个是访问非法地址，都是要杀掉进程的错误*/

if (fault & VM_FAULT_SIGBUS) {

/*

* We had some memory, but were unable to

* successfully fix up this page fault.

*/

sig = SIGBUS;

code = BUS_ADRERR;

} else {

/*

* Something tried to access memory that

* isn't in our memory map..

*/

sig = SIGSEGV;

code = fault == VM_FAULT_BADACCESS ?

SEGV_ACCERR : SEGV_MAPERR;

}

/*给用户进程发送相应的信号，杀掉进程*/

__do_user_fault(tsk, addr, fsr, sig, code, regs);

return 0;

no_context:

/*内核引发的异常处理，如修复不畅，内核也要杀掉*/

__do_kernel_fault(mm, addr, fsr, regs);

return 0;

}

首先看第一个重点，源码片段如下：

/*1、判断当前是否是在原子操作中(中断、可延迟函数、临界区)发生的异常

2、通过mm是否存在判断是否是内核线程，对于内核线程，进程描述符的mm总为NULL，一旦成立，说明是在内核态中发生的异常，跳到标号no_context*/

if (in_atomic() || !mm)

goto no_context;

如果当前执行流程在内核态，不论是在临界区(中断/推后执行/临界区)还是内核进程本身(内核的mm为NULL)，说明在内核态出了问题，跳到标号no_context进入内核态异常处理，由函数__do_kernel_fault完成，这个函数首先尽可能的设法解决这个异常，通过查找异常表中和目前的异常对应的解决办法并调用执行，这个部分的细节一直没有找到在哪里，如果找到的话留言告我一下吧！如果无法通过异常表解决，那么内核就要在打印其页表等内容后退出了！其源码如下：

static void

__do_kernel_fault(struct mm_struct *mm, unsigned long addr, unsigned int fsr,

struct pt_regs *regs)

{

/*

* Are we prepared to handle this kernel fault?

*/

/*fixup_exception()用于搜索异常表，并试图找到一个对应该异常的例程来进行修正，这个例程在fixup_exception()返回后执行*/

if (fixup_exception(regs))

return;

/*

* No handler, we'll have to terminate things with extreme prejudice.

*/

/*走到这里就说明异常确实是由于内核的程序设计缺陷导致的了，内核将产生一个oops，下面的工作就是打印CPU寄存器和内核态堆栈的信息到控制台并终结当前的进程*/

bust_spinlocks(1);

printk(KERN_ALERT

"Unable to handle kernel %s at virtual address %08lx\n",

(addr < PAGE_SIZE) ? "NULL pointer dereference" :

"paging request", addr);

/*打印内核一二级页表信息*/

show_pte(mm, addr);

/*内核产生一个oops，打印一堆东西准备退出*/

die("Oops", regs, fsr);

bust_spinlocks(0);

/*内核退出了!*/

do_exit(SIGKILL);

}

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