linux源码解析09–缺页异常之文件映射

Posted 2023-02-15

接上篇 https://www.daodaodao123.com/?p=776

本篇解析文件映射。

1.文件映射触发条件

(1)pte表项为空，且vma->vm_ops不为空，属于文件映射； (2)pte表项为空，且vma->vm_ops为空，属于匿名映射；

2.应用场景

(1)exec加载程序的时候，内核为代码段和数据段创建了私有的文件映射，映射到进程的虚拟地址空间，第一次访问时发生文件映射缺页异常。

(2)进程使用mmap创建文件映射，把一个文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间，第一次访问时发生文件映射缺页异常。

(3)匿名映射为共享时，走shmem，等同文件映射处理。

3.源码解析

do_fault()函数

static vm_fault_t do_fault(struct vm_fault *vmf)

...
	if (!vma->vm_ops->fault)  ///处理没有实现fault()回调函数的情况，出错处理
...
	 else if (!(vmf->flags & FAULT_FLAG_WRITE))
		ret = do_read_fault(vmf);           ///flags标记本次缺页异常由读内存引起
	else if (!(vma->vm_flags & VM_SHARED))
		ret = do_cow_fault(vmf);            ///写内存引起，且为私有
	else
		ret = do_shared_fault(vmf);         ///内存引起，且为共享

	/* preallocated pagetable is unused: free it */
	if (vmf->prealloc_pte)                 ///释放prealloc_pte
		pte_free(vm_mm, vmf->prealloc_pte);
		vmf->prealloc_pte = NULL;
	
	return ret;

重点三个函数，分别对应三种情形：

读页面

读取私有页面过程：

1.映射文件到vma，

char*p=mmap(NULL,SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);

2.读访问

char a=*b;

3.触发缺页异常；

4.缺页异常处理： 4.1 在page cache查找虚拟地址附近页面，若存在，建立映射（预估虚拟地址附近页面很快会被读到，建立映射，减少缺页异常响应次数）; 4.2 分配物理页面； 4.3 加入page cache; 4.4 从磁盘读取文件内容到page cache; 4.5 建立映射，设置权限只读；

5.返回异常发生处，继续执行，

char a=*b;

读取共享页面过程：

读取共享页面与私有页面流程几乎相同，唯一不同点：

读私有页面，降级为只读权限； 读共享页面，保持原有权限；

源码解析如下：

static vm_fault_t do_read_fault(struct vm_fault *vmf)

	struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
	vm_fault_t ret = 0;

	/*
	 * Lets call ->map_pages() first and use ->fault() as fallback
	 * if page by the offset is not ready to be mapped (cold cache or
	 * something).
	 */   

///如果定义了map_pages，将异常地址附近的页尽可能多的与高速缓存建立映射(只针对现存的页面缓存，不创建页面)	
///预估异常地址附近页面高速缓存，可能很快会被读到
	if (vma->vm_ops->map_pages && fault_around_bytes >> PAGE_SHIFT > 1)  ///fault_around_bytes默认16页
		ret = do_fault_around(vmf);
		if (ret)
			return ret;
	

	ret = __do_fault(vmf); ///创建新的高速缓存，并将文件内容读到缓存
	if (unlikely(ret & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE | VM_FAULT_RETRY)))
		return ret;

	ret |= finish_fault(vmf); ///填写表项，建立映射
	unlock_page(vmf->page);
	if (unlikely(ret & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE | VM_FAULT_RETRY)))
		put_page(vmf->page);
	return ret;

写私有页面

写私有页面过程： 1.映射文件到vma，

char*p=mmap(NULL,SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0);

2.写访问

char *p=0x55;

3.触发缺页异常；

4.缺页异常处理： 4.1 分配物理页面cow_page(匿名页)； 4.2 在page cache查找page; 4.3 若page已存在跳转4.5;若不存在分配page cache; 4.4 从磁盘读取文件内容到page cache; 4.5 复制page cache内容到cow_page; 4.6 建立映射，设置权限可写；

5.返回异常发生处，继续执行，

char *p=0x55;

注：此后除非回写，否则进程读写的数据只跟cow_page有关，其他进程从磁盘读取文件，还是文件原本内容；

源码解析：

static vm_fault_t do_cow_fault(struct vm_fault *vmf)

	struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
	vm_fault_t ret;

	if (unlikely(anon_vma_prepare(vma)))  ///检查该vma是否初始化了RMAP
		return VM_FAULT_OOM;

///分配一个物理页面，优先使用高端内存
	vmf->cow_page = alloc_page_vma(GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vma, vmf->address);
	if (!vmf->cow_page)
		return VM_FAULT_OOM;

	if (mem_cgroup_charge(vmf->cow_page, vma->vm_mm, GFP_KERNEL)) 
		put_page(vmf->cow_page);
		return VM_FAULT_OOM;
	
	cgroup_throttle_swaprate(vmf->cow_page, GFP_KERNEL);

	ret = __do_fault(vmf);  ///读取文件内容到vmf->page
	if (unlikely(ret & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE | VM_FAULT_RETRY)))
		goto uncharge_out;
	if (ret & VM_FAULT_DONE_COW)
		return ret;
	
///把vmf->page的内容复制到刚分配的cow_page
	copy_user_highpage(vmf->cow_page, vmf-page, vmf->address, vma);
	__SetPageUptodate(vmf->cow_page);

	ret |= finish_fault(vmf);  ///使用vmf->cow_page制作PTE，设置到物理页面，建立映射，并添加到RMAP机制
	unlock_page(vmf->page);
	put_page(vmf->page);
	if (unlikely(ret & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE | VM_FAULT_RETRY)))
		goto uncharge_out;
	return ret;
uncharge_out:
	put_page(vmf->cow_page);
	return ret;

写共享页面

写共享页面与写私有页面大致类似，不同点是： 1.不用分配cow_page； 2.写完后，会设置脏页；

写共享页面过程： 1.映射文件到vma，

char*p=mmap(NULL,SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);

2.写访问

char *p=0x55;

3.触发缺页异常；

4.缺页异常处理： 4.2 在page cache查找page; 4.3 若page已存在跳转4.4;若不存在分配page cache; 4.4 从磁盘读取文件内容到page cache; 4.5 建立映射，设置权限可写； 4.6 设置脏页；

5.返回异常发生处，继续执行，

char *p=0x55;

注：设置脏页后，page cache会调度合适时机回写磁盘；

源码解析：

static vm_fault_t do_shared_fault(struct vm_fault *vmf)

	struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
	vm_fault_t ret, tmp;

	ret = __do_fault(vmf);  ///读取文件内容到vmf->page
	if (unlikely(ret & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE | VM_FAULT_RETRY)))
		return ret;

	/*
	 * Check if the backing address space wants to know that the page is
	 * about to become writable
	 */ ///若定义了page_mkwrite，调用do_page_mkwrite通知进程地址空间，页面变成可写；若页面可写，进程需要等待这个页面的内容会写成功
	if (vma->vm_ops->page_mkwrite) 
		unlock_page(vmf->page);
		tmp = do_page_mkwrite(vmf);
		if (unlikely(!tmp ||
				(tmp & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE)))) 
			put_page(vmf->page);
			return tmp;
		
	

	ret |= finish_fault(vmf);  ///使用vmf->page制作PTE，设置到物理页面，建立映射，并添加到RMAP机制
	if (unlikely(ret & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE |
					VM_FAULT_RETRY))) 
		unlock_page(vmf->page);
		put_page(vmf->page);
		return ret;
	

	ret |= fault_dirty_shared_page(vmf);  ///设置脏页，回写部分脏页
	return ret;