背景
  • ​​Read the fucking source code!​​ --By 鲁迅
  • ​​A picture is worth a thousand words.​​ --By 高尔基

说明：

  2. Kernel版本：4.14
  3. ARM64处理器，Contex-A53，双核
  4. 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：

（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_javascript

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​​。

（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_虚拟地址_02

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：

  2. 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；
  3. 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​​（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_异常处理_03

​​do_page_fault​​（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_页表_04

​​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：

（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_异常处理_05

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：

  2. 读文件页错误；
  3. 写私有文件页错误；
  4. 写共享文件页错误；

（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_虚拟地址_06

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：

  2. 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；
  3. 用户栈不够的情况下，进行栈区的扩大处理；

（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_页表_07

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：

（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_javascript_08

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：

  2. 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；
  3. 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​​；

（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_错误异常_09

关键的复制工作是由​​wp_page_copy​​完成的：

（十四）Linux内存管理之page fault处理【转】_错误异常_10