linux进程地址空间(2) 缺页异常详解(1)原理和内核缺页异常处理
首先明确下什么是缺页异常，CPU通过地址总线可以访问连接在地址总线上的所有外设，包括物理内存、IO设备等等，但从CPU发出的访问地址并非是这些外设在地址总线上的物理地址，而是一个虚拟地址，由MMU将虚拟地址转换成物理地址再从地址总线上发出，MMU上的这种虚拟地址和物理地址的转换关系是需要创建的，并且MMU还可以设置这个物理页是否可以进行写操作，当没有创建一个虚拟地址到物理地址的映射，或者创建了这样的映射，但那个物理页不可写的时候，MMU将会通知CPU产生了一个缺页异常。
下面总结下缺页异常的几种情况：
1、当MMU中确实没有创建虚拟页物理页映射关系，并且在该虚拟地址之后再没有当前进程的线性区vma的时候，可以肯定这是一个编码错误，这将杀掉该进程；
2、当MMU中确实没有创建虚拟页物理页映射关系，并且在该虚拟地址之后存在当前进程的线性区vma的时候，这很可能是缺页异常，并且可能是栈溢出导致的缺页异常；
3、当使用malloc/mmap等希望访问物理空间的库函数/系统调用后，由于linux并未真正给新创建的vma映射物理页，此时若先进行写操作，将如上面的2的情况产生缺页异常，若先进行读操作虽也会产生缺页异常，将被映射给默认的零页(zero_pfn)，等再进行写操作时，仍会产生缺页异常，这次必须分配物理页了，进入写时复制的流程；
4、当使用fork等系统调用创建子进程时，子进程不论有无自己的vma，“它的”vma都有对于物理页的映射，但它们共同映射的这些物理页属性为只读，即linux并未给子进程真正分配物理页，当父子进程任何一方要写相应物理页时，导致缺页异常的写时复制；
目前来看，应该就是这四种情况，还是比较清晰的，可发现一个重要规律就是，linux是直到实在不行的时候才会分配物理页，把握这个原则理解的会好一些，下面详细的看缺页处理：
arm的缺页处理函数为arch/arm/mm/fault.c文件中的do_page_fault函数，关于缺页异常是怎么一步步调到这个函数的，同上一篇位置进程地址空间创建说的一样，后面会有专题文章描述这个问题，现在只关心缺页异常的处理，下面是函数do_page_fault：
static int __kprobes
do_page_fault(unsigned long addr, unsigned int fsr, struct pt_regs *regs)
{
struct task_struct *tsk;
struct mm_struct *mm;
int fault, sig, code;
/*空函数*/
if (notify_page_fault(regs, fsr))
return 0;
/*获取到缺页异常的进程描述符和其内存描述符*/
tsk = current;
mm = tsk->mm;
/*
* If we're in an interrupt or have no user
* context, we must not take the fault..
*/
/*1、判断当前是否是在原子操作中(中断、可延迟函数、临界区)发生的异常
2、通过mm是否存在判断是否是内核线程，对于内核线程，进程描述符的mm总为NULL
一旦成立，说明是在内核态中发生的异常，跳到标号no_context*/
if (in_atomic() || !mm)
goto no_context;
/*
* As per x86, we may deadlock here. However, since the kernel only
* validly references user space from well defined areas of the code,
* we can bug out early if this is from code which shouldn't.
*/
if (!down_read_trylock(&mm->mmap_sem)) {
if (!user_mode(regs) && !search_exception_tables(regs->ARM_pc))
goto no_context;
down_read(&mm->mmap_sem);
} else {
/*
* The above down_read_trylock() might have succeeded in
* which case, we'll have missed the might_sleep() from
* down_read()
*/
might_sleep();
#ifdef CONFIG_DEBUG_VM
if (!user_mode(regs) &&
!search_exception_tables(regs->ARM_pc))
goto no_context;
#endif
}
fault = __do_page_fault(mm, addr, fsr, tsk);
up_read(&mm->mmap_sem);
/*
* Handle the "normal" case first - VM_FAULT_MAJOR / VM_FAULT_MINOR
*/
/*如果返回值fault不是这里面的值，那么应该会是VM_FAULT_MAJOR或VM_FAULT_MINOR，说明问题解决了，返回，一般正常情况下，__do_page_fault的返回值fault会是0(VM_FAULT_MINOR)或者其他一些值，都不是下面之后会看到的这些*/
if (likely(!(fault & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_BADMAP | VM_FAULT_BADACCESS))))
return 0;
/*如果fault是VM_FAULT_OOM这个级别的错误，那么这要杀掉进程*/
if (fault & VM_FAULT_OOM) {
/*
* We ran out of memory, call the OOM killer, and return to
* userspace (which will retry the fault, or kill us if we
* got oom-killed)
*/
pagefault_out_of_memory();
return 0;
}
/*
* If we are in kernel mode at this point, we
* have no context to handle this fault with.
*/
/*再次判断是否是内核空间出现了页异常，并且通过__do_page_fault没有没有解决，跳到到no_context*/
if (!user_mode(regs))
goto no_context;
/*下面两个情况，通过英文注释可以理解，
一个是无法修复，另一个是访问非法地址，都是要杀掉进程的错误*/
if (fault & VM_FAULT_SIGBUS) {
/*
* We had some memory, but were unable to
* successfully fix up this page fault.
*/
sig = SIGBUS;
code = BUS_ADRERR;
} else {
/*
* Something tried to access memory that
* isn't in our memory map..
*/
sig = SIGSEGV;
code = fault == VM_FAULT_BADACCESS ?
SEGV_ACCERR : SEGV_MAPERR;
}
/*给用户进程发送相应的信号，杀掉进程*/
__do_user_fault(tsk, addr, fsr, sig, code, regs);
return 0;
no_context:
/*内核引发的异常处理，如修复不畅，内核也要杀掉*/
__do_kernel_fault(mm, addr, fsr, regs);
return 0;
}
首先看第一个重点，源码片段如下：
/*1、判断当前是否是在原子操作中(中断、可延迟函数、临界区)发生的异常
2、通过mm是否存在判断是否是内核线程，对于内核线程，进程描述符的mm总为NULL，一旦成立，说明是在内核态中发生的异常，跳到标号no_context*/
if (in_atomic() || !mm)
goto no_context;
如果当前执行流程在内核态，不论是在临界区(中断/推后执行/临界区)还是内核进程本身(内核的mm为NULL)，说明在内核态出了问题，跳到标号no_context进入内核态异常处理，由函数__do_kernel_fault完成，这个函数首先尽可能的设法解决这个异常，通过查找异常表中和目前的异常对应的解决办法并调用执行，这个部分的细节一直没有找到在哪里，如果找到的话留言告我一下吧！如果无法通过异常表解决，那么内核就要在打印其页表等内容后退出了！其源码如下：
static void
__do_kernel_fault(struct mm_struct *mm, unsigned long addr, unsigned int fsr,
struct pt_regs *regs)
{
/*
* Are we prepared to handle this kernel fault?
*/
/*fixup_exception()用于搜索异常表，并试图找到一个对应该异常的例程来进行修正，这个例程在fixup_exception()返回后执行*/
if (fixup_exception(regs))
return;
/*
* No handler, we'll have to terminate things with extreme prejudice.
*/
/*走到这里就说明异常确实是由于内核的程序设计缺陷导致的了，内核将产生一个oops，下面的工作就是打印CPU寄存器和内核态堆栈的信息到控制台并终结当前的进程*/
bust_spinlocks(1);
printk(KERN_ALERT
"Unable to handle kernel %s at virtual address %08lx\n",
(addr < PAGE_SIZE) ? "NULL pointer dereference" :
"paging request", addr);
/*打印内核一二级页表信息*/
show_pte(mm, addr);
/*内核产生一个oops，打印一堆东西准备退出*/
die("Oops", regs, fsr);
bust_spinlocks(0);
/*内核退出了!*/
do_exit(SIGKILL);
}
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