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linux进程地址空间(2) 缺页异常详解(2)请求调页详解

发布时间:2016-12-5 16:27:22 编辑:www.fx114.net 分享查询网我要评论
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接上一篇 回到函数do_page_fault,如果不是内核的缺页异常而是用户进程的缺页异常,那么调用函数__do_page_fault,这个应该是本文的重点,主要讨论的是用户进程的缺页异常,结合最前面说的用户进程产生缺页异常的四种情况,函数__do_page_fault都会排查到,源码如下: __do_page_fault(struct mm_struct *mm, unsigned long addr, unsigned int fsr,                    struct task_struct *tsk) {          struct vm_area_struct *vma;          int fault;     /*搜索出现异常的地址前向最近的的vma*/          vma = find_vma(mm, addr);          fault = VM_FAULT_BADMAP;     /*如果vma为NULL,说明addr之后没有vma,所以这个addr是个错误地址*/          if (unlikely(!vma))                    goto out;     /*如果addr后面有vma,但不包含addr,不能断定addr是错误地址,还需检查*/          if (unlikely(vma->vm_start > addr))                    goto check_stack;          /*           * Ok, we have a good vm_area for this           * memory access, so we can handle it.           */ good_area:     /*权限错误也要返回,比如缺页报错(由参数fsr标识)报的是不可写/不可执行的错误,但addr所属vma线性区本身就不可写/不可执行,那么就直接返回,因为问题根本不是缺页,而是vma就已经有问题*/          if (access_error(fsr, vma)) {                    fault = VM_FAULT_BADACCESS;                    goto out;          }          /*           * If for any reason at all we couldn't handle the fault, make           * sure we exit gracefully rather than endlessly redo the fault.           */          /*为引发缺页的进程分配一个物理页框,它先确定与引发缺页的线性地址对应的各级页目录项是否存在,如不存在则分进行分配。具体如何分配这个页框是通过调用handle_pte_fault完成的*/          fault = handle_mm_fault(mm, vma, addr & PAGE_MASK, (fsr & FSR_WRITE) ? FAULT_FLAG_WRITE : 0);          if (unlikely(fault & VM_FAULT_ERROR))                    return fault;          if (fault & VM_FAULT_MAJOR)                    tsk->maj_flt++;          else                    tsk->min_flt++;          return fault; check_stack:     /*addr后面的vma的vm_flags含有VM_GROWSDOWN标志,这说明这个vma是属于栈的vma,所以addr是在栈中,有可能是栈空间不够时再进栈导致的访问错误,同时查看栈是否还能扩展,如果不能扩展(expand_stack返回非0)则确认确实是栈溢出导致,即addr确实是栈中地址,不是非法地址,应该进入缺页中的请求调页*/          if (vma->vm_flags & VM_GROWSDOWN && !expand_stack(vma, addr))                    goto good_area; out:          return fault; } l  首先,查看缺页异常的这个虚拟地址addr,找它后面最近的vma,如果真的没有找到,那么说明访问的地址是真的错误了,因为它根本不在所分配的任何一个vma线性区;这是一种严重错误,将返回错误码(fault)VM_FAULT_BADMAP,内核会杀掉这个进程; l  如果addr后面有vma,但addr并未落在这个vma的区间内,这存在一种可能,要知道栈的增长方向和堆是相反的即栈是向下增长,所以也许addr实际上是栈的一个地址,它后面的vma实际上是栈的vma,栈已无法扩展,即访问addr时,这个addr并没有落在vma中所以更无二级页表映射,导致缺页异常,所以查看addr后面的vma是否是向下增长并且栈是否无法扩展,以此界定addr是不是栈地址,如果是则进入缺页异常处理流程,否则同样返回错误码(fault)VM_FAULT_BADMAP,内核会杀掉这个进程; l  权限错误也就返回,比如缺页报错(fsr)报的是不可写,但vma本身就不可写,那么就直接返回,因为问题根本不是缺页,而是vma就已经有问题;返回错误码(fault) VM_FAULT_BADACCESS,这也是一种严重错误,内核会杀掉这个进程;s l  最后是对确实缺页异常的情况进行处理,调用函数handle_mm_fault,正常情况下将返回VM_FAULT_MAJOR或VM_FAULT_MINOR,返回错误码fault并加一task的maj_flt或min_flt成员; 函数handle_mm_fault,就是为引发缺页的进程分配一个物理页框,它先确定与引发缺页的线性地址对应的各级页目录项是否存在,如不存在则分进行分配。具体如何分配这个页框是通过调用handle_pte_fault()完成的,注意最后一个参数flag,它来源于fsr,标识写异常和非写异常,这是为了达到进一步推后分配物理内存的一个铺垫;源码如下: int handle_mm_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,                    unsigned long address, unsigned int flags) {          pgd_t *pgd;          pud_t *pud;          pmd_t *pmd;          pte_t *pte;          __set_current_state(TASK_RUNNING);          count_vm_event(PGFAULT);          if (unlikely(is_vm_hugetlb_page(vma)))                    return hugetlb_fault(mm, vma, address, flags);     /*返回addr对应的一级页表条目*/          pgd = pgd_offset(mm, address);     /*对于arm,pud就是pgd*/          pud = pud_alloc(mm, pgd, address);          if (!pud)                    return VM_FAULT_OOM;     /*对于arm,pmd就是pud就是pgd*/          pmd = pmd_alloc(mm, pud, address);          if (!pmd)                    return VM_FAULT_OOM;     /*返回addr对应的二级页表条目*/          pte = pte_alloc_map(mm, pmd, address);          if (!pte)                    return VM_FAULT_OOM;     /*该函数根据页表项pte所描述的物理页框是否在物理内存中,分为两大类:     请求调页:被访问的页框不在主存中,那么此时必须分配一个页框,分为线性(匿名/文件)映射、非线性映射、swap情况下映射     写时复制:被访问的页存在,但是该页是只读的,内核需要对该页进行写操作,              此时内核将这个已存在的只读页中的数据复制到一个新的页框中*/          return handle_pte_fault(mm, vma, address, pte, pmd, flags); } 首先注意下个细节,在二级页表条目不存在时,会先创建条目;最终会调用函数handle_pte_fault,该函数功能注释已经描述很清楚,源码如下: static inline int handle_pte_fault(struct mm_struct *mm,                    struct vm_area_struct *vma, unsigned long address,                    pte_t *pte, pmd_t *pmd, unsigned int flags) {          pte_t entry;          spinlock_t *ptl;          entry = *pte; /*调页请求:分为线性(匿名/文件)映射、非线性映射、swap情况下映射   注意,pte_present(entry)为0说明二级页表条目pte映射的物理地址(即*pte)不存在,很可能是调页请求*/          if (!pte_present(entry)) {         /*(pte_none(entry))为1说明二级页表条目pte尚且没有写入任何物理地址,说明还根本从未分配物理页*/                    if (pte_none(entry)) {             /*如果该vma的操作函数集合实现了fault函数,说明是文件映射而不是匿名映射,将调用do_linear_fault分配物理页*/                             if (vma->vm_ops) {                                      if (likely(vma->vm_ops->fault))                                                return do_linear_fault(mm, vma, address,                                                         pte, pmd, flags, entry);                             }             /*匿名映射的情况分配物理页,最终调用alloc_pages*/                             return do_anonymous_page(mm, vma, address,                                                          pte, pmd, flags);                    }         /*(pte_file(entry))说明是非线性映射,调用do_nonlinear_fault分配物理页*/                    if (pte_file(entry))                             return do_nonlinear_fault(mm, vma, address,                                                pte, pmd, flags, entry);         /*如果页框事先被分配,但是此刻已经由主存换出到了外存,则调用do_swap_page()完成页框分配*/                    return do_swap_page(mm, vma, address,                                                pte, pmd, flags, entry);          } /*写时复制     COW的场合就是访问映射的页不可写,有两种情况、: 一种是之前给vma映射的是零页(zero_pfn),     另外一种是访问fork得到的进程空间(子进程与父进程共享父进程的只读页)     共同特点就是: 二级页表条目不允许写,简单说就是该页不可写*/          ptl = pte_lockptr(mm, pmd);          spin_lock(ptl);          if (unlikely(!pte_same(*pte, entry)))                    goto unlock;     /*是写操作时发生的缺页异常*/          if (flags & FAULT_FLAG_WRITE) {         /*二级页表条目不允许写,引发COW*/                    if (!pte_write(entry))                             return do_wp_page(mm, vma, address,                                                pte, pmd, ptl, entry);         /*标志本页已脏*/                    entry = pte_mkdirty(entry);          }          entry = pte_mkyoung(entry);          if (ptep_set_access_flags(vma, address, pte, entry, flags & FAULT_FLAG_WRITE)) {                    update_mmu_cache(vma, address, entry);          } else {                    /*                     * This is needed only for protection faults but the arch code                     * is not yet telling us if this is a protection fault or not.                     * This still avoids useless tlb flushes for .text page faults                     * with threads.                     */                    if (flags & FAULT_FLAG_WRITE)                             flush_tlb_page(vma, address);          } unlock:          pte_unmap_unlock(pte, ptl);          return 0; } 回过头看下那四个异常的情况,上面的内容会比较好理解些,首先获取到二级页表条目值entry,对于写时复制的情况,它的异常addr的二级页表条目还是存在的(就是说起码存在标志L_PTE_PRESENT),只是说映射的物理页不可写,所以由(!pte_present(entry))可界定这是请求调页的情况; 在请求调页情况下,如果这个二级页表条目的值为0,即什么都没有,那么说明这个地址所在的vma是完完全全没有做过映射物理页的操作,那么根据该vma是否存在vm_ops成员即操作函数,并且vm_ops存在fault成员,这说明是文件映射而非匿名映射,反之是匿名映射,分别调用函数do_linear_fault、do_anonymous_page; 仍然在请求调页的情况下,如果二级页表条目的值含有L_PTE_FILE标志,说明这是个非线性文件映射,将调用函数do_nonlinear_fault分配物理页;其他情况视为物理页曾被分配过,但后来被linux交换出内存,将调用函数do_swap_page再分配物理页; 文件线性/非线性映射和交换分区的映射除请求调页方面外,还涉及文件、交换分区的很多内容,为简化起见,下面仅以匿名映射为例描述用户空间缺页异常的实际处理,而事实上日常使用的malloc都是匿名映射; 匿名映射体现了linux为进程分配物理空间的基本态度,不到实在不行的时候不分配物理页,当使用malloc/mmap申请映射一段物理空间时,内核只是给该进程创建了段线性区vma,但并未映射物理页,然后如果试图去读这段申请的进程空间,由于未创建相应的二级页表映射条目,MMU会发出缺页异常,而这时内核依然只是把一个默认的零页zero_pfn(这是在初始化时创建的,前面的内存页表的文章描述过)给vma映射过去,当应用程序又试图写这段申请的物理空间时,这就是实在不行的时候了,内核才会给vma映射物理页,源码如下: static int do_anonymous_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,                    unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,                    unsigned int flags) {          struct page *page;          spinlock_t *ptl;          pte_t entry; /*如果不是写操作的话(即读操作),那么非常简单,把zero_pfn的二级页表条目赋给entry,因为这里已经是缺页异常的请求调页的处理,又是读操作,所以肯定是本进程第一次访问这个页,所以这个页里面是什么内容无所谓,分配个默认全零页就好,进一步推迟物理页的分配,这就会让entry带着zero_pfn跳到标号setpte*/          if (!(flags & FAULT_FLAG_WRITE)) {                    entry = pte_mkspecial(pfn_pte(my_zero_pfn(address),                                                         vma->vm_page_prot));                    ptl = pte_lockptr(mm, pmd);                    spin_lock(ptl);         /*如果这个缺页的虚拟地址对应的二级页表条目所映射的内容居然在内存中,直接跳到标号unlock准备解锁返回*/                    if (!pte_none(*page_table))                             goto unlock;         /*跳到标号setpte就是写二级页表条目的内容即映射内容,对于这类就是把entry即zero_pfn写进去了*/                    goto setpte;          } /*如果是写操作,就要分配一个新的物理页了*/          /* Allocate our own private page. */     /*这里为空函数*/          pte_unmap(page_table);     /*分配一个anon_vma实例,反向映射相关,可暂不关注*/          if (unlikely(anon_vma_prepare(vma)))                    goto oom;     /*它将调用alloc_page,这个页被0填充*/          page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, address);          if (!page)                    goto oom;          __SetPageUptodate(page);     /*空函数*/          if (mem_cgroup_newpage_charge(page, mm, GFP_KERNEL))                    goto oom_free_page;   /*把该页的物理地址加属性的值赋给entry,这是二级页表映射内容的基础值*/          entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);     /*如果是写访问,那么设置这个二级页表条目属性还要加入:脏且可写*/          if (vma->vm_flags & VM_WRITE)                    entry = pte_mkwrite(pte_mkdirty(entry)); /*把page_table指向虚拟地址addr的二级页表条目地址*/          page_table = pte_offset_map_lock(mm, pmd, address, &ptl); /*如果这个缺页的虚拟地址对应的二级页表条目所映射的内容居然在内存中,报错返回*/          if (!pte_none(*page_table))                    goto release;     /*mm的rss成员加一,用于记录分配给本进程的物理页总数*/          inc_mm_counter(mm, anon_rss);     /*page_add_new_anon_rmap用于建立线性区和匿名页的反向映射,可暂不关注*/          page_add_new_anon_rmap(page, vma, address); setpte: /*给page_table这个二级页表条目写映射内容,内容是entry*/          set_pte_at(mm, address, page_table, entry);          /* No need to invalidate - it was non-present before */     /*更新MMU*/          update_mmu_cache(vma, address, entry); unlock:          pte_unmap_unlock(page_table, ptl);          return 0; release:          mem_cgroup_uncharge_page(page);          page_cache_release(page);          goto unlock; oom_free_page:          page_cache_release(page); oom:          return VM_FAULT_OOM; } 结合上面的描述和源码注释应该比较容易能理解请求调页的原理和流程;

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