linux内核源码分析之缺页异常

目录

什么是缺页异常？

处理器特定部分

生成页错误异常

处理页错误异常

匿名页的缺页异常

文件的缺页异常

处理文件页错误，具体处理读文件页错误的方法：

给定一个虚拟内存区域vma，函数filemap_fault读文件页的方法如下：

文件写私有文件页错误的方法：

文件写共享文件页错误的方法如下:

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：

1. 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
2. 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。
3. 内存不足的时候，内核把进程的匿名页换出到交换区
4. 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
5. 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：

1. 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。
2. 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。

处理器特定部分

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。

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。

匿名页的缺页异常

发生情况

1. 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；
2. 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
3. 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。

文件的缺页异常

发生情况

1. 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。
2. 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（）

处理文件页错误，具体处理读文件页错误的方法：

1. 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
2. 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：

1. 根据vma->vm_file得到文件的打开实例file
2. 根据file->f_mapping得到文件的地址空间mapping
3. 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
4. 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

文件写私有文件页错误的方法：

1. 把文件页从存储设备上的文件系统读到文件的页缓存中；
2. 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；
3. 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

文件写共享文件页错误的方法如下:

1. 把文件页从存储设备上的文件系统读到文件的也缓存中
2. 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

 参考链接

https://course.0voice.com/v1/course/intro?courseId=2&agentId=0