背景

• Read the fucking source code!

  --By 鲁迅

• A picture is worth a thousand words.

  --By 高尔基

说明：

1. Kernel版本：4.14
2. ARM64处理器，Contex-A53，双核
3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

上篇文章分析到

malloc/mmap

函数中，内核实现只是在进程的地址空间建立好了

vma

区域，并没有实际的虚拟地址到物理地址的映射操作。这部分就是在

Page Fault

异常错误处理中实现的。

Linux内核中的

Page Fault

异常处理很复杂，涉及的细节也很多，

malloc/mmap

的物理内存映射只是它的一个子集功能，下图大概涵盖了出现

Page Fault

的情况：

下边就开始来啃啃硬骨头吧。

2. Arm64处理

Page Fault

的异常处理，依赖于体系结构，因此有必要来介绍一下

Arm64

的处理。
代码主要参考：

arch/arm64/kernel/entry.S

。

Arm64在取指令或者访问数据时，需要把虚拟地址转换成物理地址，这个过程需要进行几种检查，在不满足的情况下都能造成异常：

1. 地址的合法性，比如以39有效位地址为例，内核地址的高25位为全1，用户进程地址的高25位为全0；
2. 地址的权限检查，这里边的权限位都位于页表条目中；

从上图中可以看到，最后都会调到

do_mem_abort

函数，这个函数比较简单，直接看代码，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);
}

该函数中关键的处理：根据传进来的

esr

获取

fault_info

信息，从而去调用函数。

struct fault_info

用于错误状态下对应的处理方法，而内核中也定义了全局结构

fault_info

，存放了所有的情况。
主要的错误状态和处理函数对应如下：

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"  },
...
};

从代码中可以看出：

• 出现0/1/2/3级页表转换错误时，会调用

  do_translation_fault

  ，实际中

  do_translation_fault

  最终也会调用到

  do_page_fault

  ；
• 出现1/2/3级页表访问权限的时候，会调用

  do_page_fault

  ；
• 其他的错误则调用

  do_bad

  ，其中未列出来的部分还包括

  do_sea

  等操作函数；

do_translation_fault

do_page_fault

do_page_fault

函数为页错误异常处理的核心函数，与体系结构相关，上图中的

handle_mm_fault

函数为通用函数，也就是不管哪种处理器结构，最终都会调用到该函数。

3.

handle_mm_fault

handle_mm_fault

用于处理用户空间的页错误异常：

• 进程在用户模式下访问用户虚拟地址，触发页错误异常；
• 进程在内核模式下访问用户虚拟地址，触发页错误异常；
  从

  do_page_fault

  函数的流程图中也能看出来，当触发异常的虚拟地址属于某个

  vma

  ，并且拥有触发页错误异常的权限时，会调用到

  handle_mm_fault

  函数，而

  handle_mm_fault

  函数的主要逻辑是通过

  __handle_mm_fault

  来实现的。

流程如下图：

3.1

do_fault

do_fault

函数用于处理文件页异常，包括以下三种情况：

1. 读文件页错误；
2. 写私有文件页错误；
3. 写共享文件页错误；

3.2

do_anonymous_page

匿名页的缺页异常处理调用本函数，在以下情况下会触发：

1. malloc/mmap分配了进程地址空间区域，但是没有进行映射处理，在首次访问时触发；
2. 用户栈不够的情况下，进行栈区的扩大处理；

3.3

do_swap_page

如果访问

Swap页面

出错（页面不在内存中），则从

Swap cache

或

Swap文件

中读取该页面。
由于在

4.14内核

版本中，

do_swap_page

调用的很多函数都是空函数，无法进一步的了解，大体的流程如下图：

3.4

do_wp_page

do_wp_page

函数用于处理写时复制（

copy on write

），会在以下两种情况处理：

1. 创建子进程时，父子进程会以只读方式共享私有的匿名页和文件页，当试图写的时候，触发页错误异常，从而复制物理页，并创建映射；
2. 进程创建私有文件映射，读访问后触发异常，将文件页读入到

   page cache

   中，并以只读模式创建映射，之后发生写访问后，触发

   COW

   ；

关键的复制工作是由

wp_page_copy

完成的：