do_page_fault函數(shù)處理流程

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只解釋下關(guān)鍵代碼的流程，附件里是關(guān)于缺頁(yè)處理思路更清晰的一個(gè)整理，無(wú)代碼的。

1. //*********************************缺頁(yè)異常處理函數(shù)*******************************************
   
2. do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
   
3. {
   
4. 
   
5.        
   
6.         //獲取當(dāng)前cpu正在運(yùn)行的進(jìn)程的進(jìn)程描述符
   
7.         //然后獲取該進(jìn)程的內(nèi)存描述符
   
8.         tsk = current;
   
9.         mm = tsk->mm;
   
10. 
    
11.         /* Get the faulting address: */
    
12.         //獲取出錯(cuò)的地址
    
13.         address = read_cr2();
    
14. 
    
15. 
    
16.         /*
    
17.          * We fault-in kernel-space virtual memory on-demand. The
    
18.          * 'reference' page table is init_mm.pgd.
    
19.          *
    
20.          * NOTE! We MUST NOT take any locks for this case. We may
    
21.          * be in an interrupt or a critical region, and should
    
22.          * only copy the information from the master page table,
    
23.          * nothing more.
    
24.          *
    
25.          * This verifies that the fault happens in kernel space
    
26.          * (error_code & 4) == 0, and that the fault was not a
    
27.          * protection error (error_code & 9) == 0.
    
28.          */
    
29.          //頁(yè)訪問(wèn)出錯(cuò)地址address在內(nèi)核空間
    
30.         if (unlikely(fault_in_kernel_space(address))) {
    
31.                 //檢查標(biāo)志位確定訪問(wèn)發(fā)生在"內(nèi)核態(tài)"
    
32.                 if (!(error_code & (PF_RSVD | PF_USER | PF_PROT))) {
    
33.                         //如果是內(nèi)核空間"非連續(xù)內(nèi)存"的訪問(wèn),
    
34.                         //則直接拷貝"內(nèi)核頁(yè)表項(xiàng)"到"用戶頁(yè)表項(xiàng)"
    
35.                         //如果"內(nèi)核頁(yè)表項(xiàng)"為null,說(shuō)明內(nèi)核有BUG,返回-1
    
36.                         if (vmalloc_fault(address) >= 0)
    
37.                                 return;
    
38.                 }
    
39. 
    
40.                 //如果在"用戶態(tài)"則直接進(jìn)入"非法訪問(wèn)"處理函數(shù)
    
41.                 //如果vmalloc_fault返回-1,則表示內(nèi)核BUG
    
42.                 bad_area_nosemaphore(regs, error_code, address);
    
43.                 //錯(cuò)誤處理函數(shù)
    
44.                 // 1 "用戶態(tài)"錯(cuò)誤-->直接終止進(jìn)程
    
45.                 // 2 "內(nèi)核態(tài)"錯(cuò)誤
    
46.                 //                       系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)錯(cuò)誤 ---->終止進(jìn)程/返回系統(tǒng)調(diào)用錯(cuò)誤碼
    
47.                 //                       內(nèi)核BUG                            ---->內(nèi)核panic
    
48.                 return;
    
49.         }
    
50. 
    
51. 
    
52.         /*
    
53.          * If we're in an interrupt, have no user context or are running
    
54.          * in an atomic region then we must not take the fault:
    
55.          */
    
56.          // 1 在中斷中,此時(shí)沒(méi)有進(jìn)程上下文
    
57.          // 2 在原子操作流程中
    
58.          // 都不允許處理缺頁(yè)異常
    
59.         if (unlikely(in_atomic() || !mm)) {
    
60.                 bad_area_nosemaphore(regs, error_code, address);
    
61.                 return;
    
62.         }
    
63. 
    
64.         /*
    
65.          * When running in the kernel we expect faults to occur only to
    
66.          * addresses in user space.  All other faults represent errors in
    
67.          * the kernel and should generate an OOPS.  Unfortunately, in the
    
68.          * case of an erroneous fault occurring in a code path which already
    
69.          * holds mmap_sem we will deadlock attempting to validate the fault
    
70.          * against the address space.  Luckily the kernel only validly
    
71.          * references user space from well defined areas of code, which are
    
72.          * listed in the exceptions table.
    
73.          *
    
74.          * As the vast majority of faults will be valid we will only perform
    
75.          * the source reference check when there is a possibility of a
    
76.          * deadlock. Attempt to lock the address space, if we cannot we then
    
77.          * validate the source. If this is invalid we can skip the address
    
78.          * space check, thus avoiding the deadlock:
    
79.          */
    
80.          //此時(shí)可以確定缺頁(yè)地址address在"用戶空間"了
    
81.         if (unlikely(!down_read_trylock(&mm->mmap_sem))) {
    
82.                 //錯(cuò)誤發(fā)生在"內(nèi)核態(tài)",查看異常表
    
83.                 //如果在內(nèi)核態(tài)引起缺頁(yè),則引起缺頁(yè)的"指令地址"一定在"異常表"中
    
84.                 //如果"異常表"中返回指令地址,則說(shuō)明可能是"請(qǐng)求調(diào)頁(yè)",也可能是"非法訪問(wèn)"
    
85.                 //如果"異常表"中無(wú)地址,則肯定是內(nèi)核錯(cuò)誤
    
86.                 if ((error_code & PF_USER) == 0 &&
    
87.                     !search_exception_tables(regs->ip)) {
    
88.                        //內(nèi)核panic
    
89.                         bad_area_nosemaphore(regs, error_code, address);
    
90.                         return;
    
91.                 }
    
92.                 down_read(&mm->mmap_sem);
    
93.         } else {
    
94.                 /*
    
95.                  * The above down_read_trylock() might have succeeded in
    
96.                  * which case we'll have missed the might_sleep() from
    
97.                  * down_read():
    
98.                  */
    
99.                 might_sleep();
    
100.         }
     
101.         //尋找address所在的vma
     
102.         vma = find_vma(mm, address);
     
103.         //如果address之后無(wú)vma,則肯定是非法訪問(wèn)
     
104.         if (unlikely(!vma)) {
     
105.                 bad_area(regs, error_code, address);
     
106.                 return;
     
107.         }
     
108.         // 1 如果vma->start_address<=address,則直接跳到 "合法訪問(wèn)"階段
     
109.         // 2 如果vma->start_address>address,則也有可能是用戶的"入棧行為"導(dǎo)致缺頁(yè)
     
110.         if (likely(vma->vm_start <= address))
     
111.                 goto good_area;
     
112.         // "入棧"操作,則該vma的標(biāo)志為 "向下增長(zhǎng)"
     
113.         if (unlikely(!(vma->vm_flags & VM_GROWSDOWN))) {
     
114.                 bad_area(regs, error_code, address);
     
115.                 return;
     
116.         }
     
117.         // 確定缺頁(yè)發(fā)生在"用戶態(tài)"
     
118.         if (error_code & PF_USER) {
     
119.                 /*
     
120.                  * Accessing the stack below %sp is always a bug.
     
121.                  * The large cushion allows instructions like enter
     
122.                  * and pusha to work. ("enter $65535, $31" pushes
     
123.                  * 32 pointers and then decrements %sp by 65535.)
     
124.                  */
     
125.                  //驗(yàn)證缺頁(yè)address和棧頂sp的關(guān)系
     
126.                 if (unlikely(address + 65536 + 32 * sizeof(unsigned long) < regs->sp)) {
     
127.                         bad_area(regs, error_code, address);
     
128.                         return;
     
129.                 }
     
130.         }
     
131.         //擴(kuò)展棧
     
132.         if (unlikely(expand_stack(vma, address))) {
     
133.                 bad_area(regs, error_code, address);
     
134.                 return;
     
135.         }
     
136. 
     
137.         /*
     
138.          * Ok, we have a good vm_area for this memory access, so
     
139.          * we can handle it..
     
140.          */
     
141. good_area:
     
142.         write = error_code & PF_WRITE;
     
143.         // 再次驗(yàn)證"權(quán)限"
     
144.         if (unlikely(access_error(error_code, write, vma))) {
     
145.                 bad_area_access_error(regs, error_code, address);
     
146.                 return;
     
147.         }
     
148. 
     
149.         /*
     
150.          * If for any reason at all we couldn't handle the fault,
     
151.          * make sure we exit gracefully rather than endlessly redo
     
152.          * the fault:
     
153.          */
     
154.          //分配新"頁(yè)框"
     
155.         fault = handle_mm_fault(mm, vma, address, write ? FAULT_FLAG_WRITE : 0);
     
156. 
     
157.         up_read(&mm->mmap_sem);
     
158. }
     
159. 
     
160. 
     
161. //*******************************訪問(wèn)權(quán)限驗(yàn)證函數(shù)********************************************
     
162. access_error(unsigned long error_code, int write, struct vm_area_struct *vma)
     
163. {       
     
164.         //如果是"寫操作"引起的缺頁(yè),則該vma必須可寫
     
165.         if (write) {
     
166.                 /* write, present and write, not present: */
     
167.                 if (unlikely(!(vma->vm_flags & VM_WRITE)))
     
168.                         return 1;
     
169.                 return 0;
     
170.         }
     
171. 
     
172.         /* read, present: */
     
173.         //檢查該頁(yè)是否已經(jīng)在RAM中,如果"特權(quán)位"置位表示頁(yè)框在RAM中
     
174.         //表示進(jìn)程訪問(wèn)"有特權(quán)" 頁(yè)框
     
175.         if (unlikely(error_code & PF_PROT))
     
176.                 return 1;
     
177. 
     
178.         /* read, not present: */
     
179.         //如果該頁(yè)不在內(nèi)存中,該線性區(qū)必須可"讀"
     
180.         if (unlikely(!(vma->vm_flags & (VM_READ | VM_EXEC | VM_WRITE))))
     
181.                 return 1;
     
182. 
     
183.         return 0;
     
184. }
     

復(fù)制代碼

順便提出幾個(gè)問(wèn)題：
                                在"內(nèi)核態(tài)"訪問(wèn)非連續(xù)內(nèi)存時(shí)，為何要拷貝“內(nèi)核頁(yè)表項(xiàng)”到用“戶頁(yè)表項(xiàng)”，為何不直接使用“內(nèi)核頁(yè)表”？
                                對(duì)于一個(gè)4G的機(jī)器，用戶進(jìn)程的頁(yè)框大部分分布在物理內(nèi)存的哪個(gè)范圍？
                                為什么當(dāng)物理內(nèi)存大于1G的時(shí)候，就開始劃分出”高端內(nèi)存“？
                                64bit的機(jī)器上不需要”高端內(nèi)存“，這是為什么？

amarant

高端內(nèi)存的作用是訪問(wèn)內(nèi)核空間1g不能直接尋址之外的內(nèi)存
折衷的辦法就是
把1G劃為直接映射的一部分和高端內(nèi)存

64位機(jī)的內(nèi)核空間能夠足夠大到尋址所有內(nèi)存（虛擬地址空間不止4G）、

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回復(fù) 2# amarant


    LS起這么早。。。關(guān)于為何使用高端內(nèi)存，閣下理解的很透徹。。，第一個(gè)問(wèn)題LS怎么看？

amarant

回復(fù) 3# cluter


    這個(gè)問(wèn)題我說(shuō)不準(zhǔn)，就不敢胡說(shuō)了。。

tempname2

第一個(gè)問(wèn)題我還真沒(méi)看懂是什么意思

第二個(gè)問(wèn)題，我沒(méi)有仔細(xì)研究過(guò)代碼，這應(yīng)該取決于內(nèi)核向Buddy System索要內(nèi)存時(shí)傳入的flag參數(shù)。新版的代碼已經(jīng)改的亂七八糟了，我在ULK上看過(guò)的代碼片斷里參數(shù)好像包括了GFP_HIGHUSER，也就是說(shuō)，優(yōu)先在大于896M的物理內(nèi)存里拿。

第三第四個(gè)問(wèn)題，內(nèi)核使用高端內(nèi)存是因?yàn)閮?nèi)核擁有的虛擬地址大于物理內(nèi)存。訪問(wèn)物理內(nèi)存必需先將其映射于某一塊虛擬地址段之上，而大多體系結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核是與進(jìn)程共用地址空間的。Linux下內(nèi)核一般只占頂1G，資源有些緊張，能映射到的物理也就緊張。因此在其1G的虛擬地址空間之中，開辟一個(gè)小窗口動(dòng)態(tài)映射“夠不著”的那些物理內(nèi)存。所以說(shuō)，高端內(nèi)存的出現(xiàn)是因?yàn)椤皟?nèi)核虛擬地址空間 <  物理內(nèi)存大小”。

如果“內(nèi)核虛擬地址空間 >  物理內(nèi)存大小”，就不會(huì)出現(xiàn)高端內(nèi)存了。這時(shí)還可以分為兩種情況，一為“內(nèi)核虛擬地址空間太大”，比如64位操作系統(tǒng)；一為“物理內(nèi)存太小”，比如32位操作系統(tǒng)時(shí)物理內(nèi)存小于896M。

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回復(fù) 5# tempname2


    呵呵，ls 2 3 問(wèn)題都理解的很深刻。給進(jìn)程分配的頁(yè)框和進(jìn)程的頁(yè)表都優(yōu)先在高端內(nèi)存索�。�！

   第一個(gè)問(wèn)題其實(shí)就是：當(dāng)進(jìn)程系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，為何不使用內(nèi)核頁(yè)表，而是把內(nèi)核頁(yè)表項(xiàng)拷貝到進(jìn)程頁(yè)表，然后繼續(xù)訪問(wèn)。

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回復(fù) 4# amarant


    其實(shí)，只需要逆向思考下就可以了，如果切換頁(yè)表，系統(tǒng)必須做其他什么事情？

hauto

對(duì)第一個(gè)問(wèn)題我的理解是：
每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)頁(yè)表，頁(yè)表既有內(nèi)核地址空間的，也有用戶地址空間的。
但是，有些內(nèi)核空間的只在 init_mm的頁(yè)表中有，而當(dāng)前進(jìn)程沒(méi)有，當(dāng)訪問(wèn)這些地址的時(shí)候，就出現(xiàn)頁(yè)中斷，
這里把 init_mm的頁(yè)表中的相關(guān)項(xiàng)拷貝到當(dāng)前進(jìn)程的頁(yè)表中。這樣再訪問(wèn)的時(shí)候，就不會(huì)頁(yè)中斷了。

amarant

我不了解X86頁(yè)表在內(nèi)存中的儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，如果X86中的頁(yè)全局表項(xiàng)必須是以數(shù)組的方式順序存儲(chǔ)。那么就很好理解為什么要多此一舉復(fù)制內(nèi)核頁(yè)表過(guò)來(lái)了。

futex

看代碼是從init_mm.pgd上拷貝過(guò)去的，如果不拷貝而直接切換到init_mm_pgd上，那至少存在這個(gè)問(wèn)題，內(nèi)核中使用copy_from_user等訪問(wèn)進(jìn)程用戶地址空間的時(shí)候必然出錯(cuò)。另外執(zhí)行signal處理函數(shù)時(shí)要利用程序在用戶空間的棧來(lái)保存被沖掉的內(nèi)核棧保存的內(nèi)容，也必然出錯(cuò)。其原因在于init_mm.gpd上沒(méi)有當(dāng)前進(jìn)程在用戶地址空間的映射表。呵呵，不知俺說(shuō)的對(duì)不對(duì)。