linux内核源码分析之缺页异常
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了linux内核源码分析之缺页异常相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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想分析内存缺页相关的程序，先看一下基础知识。有了基础知识，才能很好的理解程序。
一、什么是缺页异常？
在取指令或数据的时候，处理器的内存管理单元需要把虚拟地址转换成物理地址。如果虚拟也没有找到物理页时，或者没有访问权限，处理器将生成页错误异常。通常情况下称为缺页异常
大概有以下情况：
- 访问用户栈的时候，超出了当前用户栈的范围，需要扩大用户栈
- 当进程申请虚拟内存区域的时候，通常没有分配物理页，进程第一次访问的时候触发页错误异常。
- 内存不足的时候，内核把进程的匿名页换出到交换区
- 一个文件页被映射到进程的虚拟地址空间，内存不足时，内核回收这个文件页，在进程的页表中删除这个文件的映射
- 程序错误，访问没有分配给进程的虚拟内存区域，将会发出SIGSEGV信号将进程杀死。
没有访问权限，有以下两种情况：
- 可能是软件有意造成的，如写时复制：子进程和父进程以只读的方式共享私有的匿名页和文件页。当其中一个进程试图写只读页时，触发页错误异常，页错误异常处理程序分配新的物理页，把旧的物理页数据复制到新的物理页，然后把虚拟页映射到新的物理页。
- 程序错误，如试图写只读的代码段所在的物理页。
不同处理器架构的页面错误异常不同，页错误异常处理程的前面一部分是各处理器架构自定义部分，后面函数handle_mm_fault开始是共同架构。
二、处理器特定部分
2.1生成页错误异常
ARM64处理器在取指令或数据的时候，需要把虚拟地址换成物理地址，分为两种情况：
1）如果虚拟地址的高16位不全是1或全0，是非法地址，生成页错误异常。
2，处理页错误异常高16位全是1或全0，内存管理单元根据关键字地址空间标识符，虚拟地址查找TLB。
如果命中了TLB选项，从TLB表项读取访问权限，检查访问权限，如果没有访问权限则生成页错误异常。
如果没有命中TLB选项，内存管理单元将会查询内存中的页表，称为转换遍历。
- 如果虚拟地址的高16位全是1，说明是内核虚拟地址，应该查询内核的页表，从寄存器TTBR1_EL1取内核的页全局目录的物理地址。
- 如果虚拟地址的高16位全是0，说明是用户虚拟地址，应该查询进程的页表，从寄存器TTBR0_L1取进程的页全局目录的物理地址。
2.2处理页错误异常
在ARM64架构中，用户程序在异常级别0运行，内核在异常级别1运行。
ARM64定义了一个异常向量表，起始地址是vectors（arch/arm64/kernel/entry.S）每个异常向量表的长度是128字节，但是在linux内核中每个异常只存在一条指令，跳转到对应的处理程序。异常向量表的虚拟地址放在异常级别1的向量基准地址寄存器（VBAR_EL1）中。
三、匿名页的缺页异常
发生情况
- 函数的局部变量比较大，或者函数调用层次比较深，导致当前栈不够用，需要扩大栈；
- 进程调用malloc，从堆申请了内存块，只分配虚拟内存区域，还没有映射到物理页，第一次访问时触发缺页异常
- 进程直接调用mmap,创建匿名的内存映射，只分配了虚拟内存区域，还没有映射到物理页，第一次访问时触发缺页异常。
缺页异常函数 do_anonymous_page处理私有匿名的缺页异常。
四、文件的缺页异常
发生情况
- 启动程序的时候，内核为程序的代码段和数据段创建私有文件映射，映射到进程的虚拟地址空间，第一次访问的时候，触发问你件页的缺页异常。
- 进程使用mmap创建文件映射，把文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间，第一次访问的时候，触发文件页的缺页异常。
处理函数 __do_fault（）
4.1 处理文件页错误，具体处理读文件页错误的方法
- 把文件页从存储设备上的文件系统读到文件缓存（每个文件有一个缓存，因为以页为单位，所以称为页缓存）中
- 设置检测的页表项，把虚拟页映射到文件页缓存的物理页。
函数do_read_fault()
给定一个虚拟内存区域vma，函数filemap_fault读文件页的方法如下
- 根据vma->vm_file得到文件的打开实例file
- 根据file->f_mapping得到文件的地址空间mapping
- 使用地址空间操作集合中的readpage方法（mapping->a_ops->readpage）把文件页读到内存中
- 函数finish_fault 负责设备项页表，把主要工作委托给函数alloc_set_pte，执行流程及源码分析
4.2 文件写私有文件页错误的方法
- 把文件页从存储设备上的文件系统读到文件的页缓存中；
- 执行写时复制，为文件的页缓存中的物理页创建一个副本，这个副本是进程的私有匿名页和文件脱离系统，修改副本不会导致文件变化；
- 设备进程的页表项，把虚拟页映射到副本;
函数do_cow_falut处理写私有文件页错误
4.3文件写共享文件页错误的方法如下
- 把文件页从存储设备上的文件系统读到文件的也缓存中
- 设备进程的页表项，把虚拟地址映射到文件的页缓存中的物理页
函数do_shared_fault处理写共享文件页错误
五、写时复制
有两种情况会执行写时复制
- 进程创建子进程的时候，为了避免复制物理页，子进程和父进程以只读方式共享私有的匿名页和文件页。当其中一个进程试图写只读页时，触发页错误异常，页错误异常的处理程序分配新的物理页，把旧的物理页的数据复制到新的物理页，然后把虚拟页映射到新的物理页。
- 进程创建私有的文件映射，然后读访问，触发页错误异常，异常处理程序把文件读到页缓存，然后以只读模式把虚拟页映射到文件的页缓存中的物理页。接着执行写访问，触发页错误异常，异常处理程序执行写时复制，把文件的页缓存中的物理页创建一个副本，把虚拟页映射到副本。这个副本是进程的私有匿名页，和文件脱离关系，修改副本不会导致文件变化。
六、内核模式页错误异常
内核访问虚拟地址时，内核使用线性映射，正常情况下不会出现没有映射到的情况。如果虚拟页没有映射到物理页，一定会出现内核崩溃。
内核运行时可能使用vmalloc()函数从vmalloc区域分配虚拟内存区域，vmalloc函数会分配并且映射到物理内页。
内核可能访问用户虚拟地址。进程通过系统调用进入内核模式，有些系统调用会传入用户空间缓冲区。如果出现页错误异常，页错误异常处理程序发现用户虚拟地址没有被分配给进程，就会在异常表中（uaccess.h 专用函数访问用户空间缓冲区）查找指令地址对应的异常修正程序，如果找到了，修复异常，避免内核崩溃。
ARM64架构下内核发送的页错误异常处理
1）如果不允许内核执行用户空间指令，那么进程在内核模式下试图执行用户空间的质量时，内核崩溃。
2）如果进程在内核模式下访问用户虚拟地址，那么先使用函数__do_page_fault处理，如果处理失败，最后使用__do_kernel_fault处理
3）其他情况使用函数__do_kernel_fault处理。
参考链接
以上是关于linux内核源码分析之缺页异常的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章