缺页异常处理源码分析并实践

缺页异常处理源码分析并实践:

本文章是在阅读了相关博客、书本的前提下撰写的，是站在前人的肩膀上对所学内容的汇总，包含了部分个人理解。本文章会放出参考博客的链接。

一、缺页异常知识储备:

CPU访问到的是虚拟地址，通过MMU将虚拟地址转换成物理地址，而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==（怎么创建？通过触发缺页中断）==，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。

而何时会触发缺页中断呢？在这里可以总结为以下四种情况：

• MMU中无虚拟地址——>物理地址的映射关系;
• linux并未真正给新创建的vma映射物理页，当使用malloc(库函数)/mmap(系统调用)，访问物理空间。
• 使用fork()创建子进程后,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,才分配物理页面。

不到万不得以，Linux是不会轻易交出物理地址的；

本章节参考如下文章:https://zhuanlan.zhihu.com/p/583396235?

二、源码分析：

再有了一定的知识储备后，开始着手对内核中缺页异常源码的阅读和分析，主要是Linux0.11及Linux5.15中源码的分析；

2.1、linux0.11源码分析：

本部分参考了csdn中如下博主的链接：https://blog.youkuaiyun.com/THEANARKH/article/details/100549972?

2.1.1、源码展示：

以下为0.11相关源码的注释几自己理解：

void do_no_page(unsigned long error_code,unsigned long address)
{
   
   
	int nr[4];
	unsigned long tmp;
	unsigned long page;
	int block,i;
	//取得线性地址对应页的页首地址,与0xfffff000即减去页偏移;
	address &= 0xfffff000;//线性地址对应页的页首地址
	//算出离代码段首地址的偏移;
	tmp = address - current->start_code;

	// tmp大于等于end_data说明是访问堆或者栈的空间时发生的缺页,直接申请一页
//如果缺页的是堆、栈的空间，则直接分配一页新的物理地址。
	if (!current->executable || tmp >= current->end_data) {
   
   
		get_empty_page(address);//直接申请一页,此时current->end_data > tmp+4kb;
		return;
	}

	// 是否有进程已经使用了
/*否则先判断是否有另一个进程和当前进程使用了同一个执行文件。
是的话，则判断是否可以共享*/
	if (share_page(tmp))
		return;

/*都不满足，则到硬盘中把一页内容加载到内存中，并且修改页表项内容*/
	// 获取一页，4kb
	/*get_free_page()从操作系统的内存池中分配一个空闲的物理页或虚拟页
	oom 通常是 "Out of Memory" 的缩写，表示内存耗尽的情况。
	在这里，它表示系统遇到了内存分配失败，无法继续正常运行。*/
	if (!(page = get_free_page()))
		oom();

/* remember that 1 block is used for header 一块用于开头*/
/*
	 算出要读的硬盘块号，但是最多读四块。
	 tmp/BLOCK_SIZE算出线性地址对应页的
	 页首地址离代码块距离了多少块，然后读取页首
	 地址对应的块号，所以需要加一。比如距离2块的距离，则
	 需要读取的块是第三块
	*/
	block = 1 + tmp/BLOCK_SIZE;//即当前线性地址对应的逻辑硬盘块号;
	for (i=0 ; i<4 ; block++,i++)// 查找文件前4块对应的物理硬盘号
		nr[i] = bmap(current->executable,block);// bmap算出逻辑块号对应的物理块号
	
	/*bread_page用于从磁盘上读取一个页面（page）的数据*/
	bread_page(page,current->executable->i_dev,nr);
	/*
	 tmp是小于end_data的，因为从tmp开始加载了4kb的数据，
     所以tmp+4kb（4096）后大于end_data，所以大于的部分需要清0，
	 i即超出的字节数
	*/
	i = tmp + 4096 - current->end_data;//i即超出的字节数
	tmp = page + 4096;
	// page是物理页首地址，加上4kb，从后往前清0
	while (i-- > 0) {
   
   
		tmp--;
		*(char *)tmp = 0;//将 tmp 指针所指的内存位置的值设置为 0
		/*首先，tmp 被强制类型转换为 char 指针，
		这是因为我们想要将这个位置视为一个字符（1 字节），然后将其值设置为 0。
		这通常用于清零内存区域，也可以用于将字符数组的内容清零。*/
	}

	// 建立线性地址和物理地址的映射
	if (put_page(page,address))//当页面不再被需要或引用时，相关的代码会调用put_page()函数来减少页面的引用计数。
		return;
	// 失败则释放刚才申请的物理页
	free_page(page);
	oom();
}

2.1.2、0.11源码分析：

• 源码调用关系与分析：
  

do_no_page是linux0.11源码中用于缺页中断具体处理函数；代码逻辑可以简化为三个if语句：

• ①如果缺页的是堆、栈的空间，则直接分配一页新的物理地址。
• ②否则先判断是否有另一个进程和当前进程使用了同一个执行文件。是的话，则判断是否可以共享。
• ③都不满足，则到硬盘中把一页内容加载到内存中，并且修改页表项内容。

①中主要是使用get_empty_page()函数来直接获得一个新的物理地址,并把页对应的物理地址存储在页面项中。其中通过put_page()函数来建立物理地址和虚拟地址之间的关联；其中get_empty()函数以及put_page()函数的源码分析如下：

• get_empty_page():

/*给address分配一个新的页，并且把页对应的物理地址存储在页面项中*/
void get_empty_page(unsigned long address)
{
   
   
	unsigned long tmp;

	if (!(tmp=get_free_page()) || !put_page(tmp,address)) {
   
   
		free_page(tmp);		/* 0 is ok - ignored */
		oom();
	}
}

• put_page():

/*
 * This function puts a page in memory at the wanted address.
 * It returns the physical address of the page gotten, 0 if
 * out of memory (either when trying to access page-table or
 * page.)
 */
 /*page是物理地址，address是线性地址。
 建立物理地址和线性地址的关联，即给页表和页目录项赋值*/
unsigned long put_page(unsigned long page,unsigned long address)
{
   
   
	unsigned long tmp, *page_table;

/* NOTE !!! This uses the fact that _pg_dir=0 */

	/*用于检查一个页面（通常是虚拟内存页）的地址是否在合法的内存范围内，
	以确保不会出现非法内存访问。*/
	if (page < LOW_MEM || page >= HIGH_MEMORY)
		printk("Trying to put page %p at %p\n",page,address);

	
	/*mem_map 是一个指向页表的指针数组，
	用于跟踪系统中每个页面的状态和分配情况。
	当内核需要分配一个物理页面用于存储数据时，
	它可以使用 mem_map 来查找空闲页面并标记它们为已分配状态。
	当页面不再需要时，内核可以将其标记为空闲，以供将来的分配。*/
	/*mem_map 还可以用于建立页帧号（通常是页面在物理内存中的索引）
	与实际物理地址之间的映射关系。这对于内核来说是很重要的，
	因为它需要知道页面在物理内存中的位置*/
	//page对应的物理页面没有被分配则说明有问题;
	if (mem_map[(page-LOW_MEM)>>12] != 1)
		printk("mem_map disagrees with %p at %p\n",page,address);
	/*计算页目录项的偏移地址，页目录首地址在物理地址0处。
	这里算出偏移地址后，就是绝对地址，与0xffc即四字节对齐*/
	page_table = (unsigned long *) ((address>>20) & 0xffc);
	
	if ((*page_table)&1)// 页目录项已经指向了一个有效的页表;
		//算出页表首地址，*page_table的高20位是有效地址
		page_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *page_table);
	else {
   
   
		//页目录项还没有指向有效的页表，分配一个新的物理页
		if (!(tmp=get_free_page()))
			return 0;
		//把页表地址写到页目录项，tmp为页表的物理地址，或7代表页面是用户级、可读、写、执行、有效
		*page_table = tmp|7;
		// 页目录项指向页表的物理地址
		page_table = (unsigned long *) tmp;
	}
	/* 
		address是32位，右移12为变成20位，再与3ff就是取得低10位，
		即address在页表中的索引,或7代表该页面是用户级、可读、写、执行、有效
	*/
	page_table[(address>>12) & 0x3ff] = page | 7;
/* no need for invalidate */
	return page;
}

②中主要是通过share_page()函数来判断当前位置的可执行文件是否与其他进程共享；其代码逻辑是依次判断：

• 当前进程是否有可执行文件；
• 当前进程的可执行文件是否已共享；
• 当前进程的可执行文件已共享，则找到不是当前进程，但执行了该可执行文件的进程，并通过try_to_share()去共享该可执行文件的地址；

以下是两个代码的注释：

• share_page()：

/*
 * share_page() tries to find a process that could share a page with
 * the current one. Address is the address of the wanted page relative
 * to the current data space.
 *
 * We first check if it is at all feasible by checking executable->i_count.
 * It should be >1 if there are other tasks sharing this inode.
 */
// 判断有没有多个进程执行了同一个可执行文件 
static int share_page(unsigned long address)
{
   
   
	struct task_struct ** p;

	if (!current->executable)//如通过当前进程没有可执行文件,则退出
		return 0;
	/*i_count 通常是一个表示文件引用计数的字段。
	这个字段用于跟踪有多少个进程正在共享同一个文件*/
	if (current->executable->i_count < 2)//未共享文件;
		return 0;
	for (p = &LAST_TASK ; p > &FIRST_TASK ; --p) {
   
   
		if (!*p)
			continue;
		if (current == *p)
			continue;