用户空间缺页异常pte_handle_fault()分析--(上)

前面简单的分析了内核处理用户空间缺页异常的流程，进入到了handle_mm_fault()函数，该函数为触发缺页异常的地址address分配各级的页目录，也就是说现在已经拥有了一个和address配对的pte了，但是这个pte如何去映射物理页框，内核又得根据pte的状态进行分类和判断，而这个过程又会牵扯出一些其他的概念……这也是初读linux内核源码的最大障碍吧，在一些复杂的处理中，一个点往往可以延伸出一个面，容易让人迷失方向……因此后面打算分几次将这个函数分析完，自己也没有完全理解透，所以不到位的地方欢迎大家指出，一起交流~

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;
	if (!pte_present(entry)) {//如果页不在主存中
		if (pte_none(entry)) {//页表项内容为0，表明进程未访问过该页

			/*如果vm_ops字段和fault字段都不为空，则说明这是一个基于文件的映射*/
			if (vma->vm_ops) {
				if (likely(vma->vm_ops->fault))
					return do_linear_fault(mm, vma, address,
						pte, pmd, flags, entry);
			}
			/*否则分配匿名页*/
			return do_anonymous_page(mm, vma, address,
						 pte, pmd, flags);
		}

		/*属于非线性文件映射且已被换出*/
		if (pte_file(entry))
			return do_nonlinear_fault(mm, vma, address,
					pte, pmd, flags, entry);

		/*页不在主存中，但是页表项保存了相关信息，则表明该页被内核换出，则要进行换入操作*/
		return do_swap_page(mm, vma, address,
					pte, pmd, flags, entry);
	}
          
         ...
         ...

}

首先要确定的一点就是pte对应的页是否驻留在主存中，因为pte有可能之前映射了页，但是该页被换出了。上面的代码给出了pte对应的页没有驻留在主存中的情况。如果pte对应的页没有驻留在主存中，且没有映射任何页，即pte_present()返回0，pte_none()返回0，则要判断要分配一个匿名页还是一个映射页。在Linux虚拟内存中，如果页对应的vma映射的是文件，则称为映射页，如果不是映射的文件，则称为匿名页。两者最大的区别体现在页和vma的组织上，因为在页框回收处理时要通过页来逆向搜索映射了该页的vma。对于匿名页的逆映射，vma都是通过vma结构体中的vma_anon_node(链表节点)和anon_vma(链表头)组织起来，再把该链表头的信息保存在页描述符中；而映射页和vma的组织是通过vma中的优先树节点和页描述符中的mapping->i_mmap优先树树根进行组织的，具体可以参看ULK3。

来看基于文件的映射的处理:

static int do_linear_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
		unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,
		unsigned int flags, pte_t orig_pte)
{
	pgoff_t pgoff = (((address & PAGE_MASK)
			- vma->vm_start) >> PAGE_SHIFT) + vma->vm_pgoff;

	pte_unmap(page_table);//如果page_table之前用来建立了临时内核映射，则释放该映射
	return __do_fault(mm, vma, address, pmd, pgoff, flags, orig_pte);
}

关键函数__do_fault():

static int __do_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
		unsigned long address, pmd_t *pmd,
		pgoff_t pgoff, unsigned int flags, pte_t orig_pte)
{
	pte_t *page_table;
	spinlock_t *ptl;
	struct page *page;
	pte_t entry;
	int anon = 0;
	int charged = 0;
	struct page *dirty_page = NULL;
	struct vm_fault vmf;
	int ret;
	int page_mkwrite = 0;

	vmf.virtual_address = (void __user *)(address & PAGE_MASK);
	vmf.pgoff = pgoff;
	vmf.flags = flags;
	vmf.page = NULL;

	ret = vma->vm_ops->fault(vma, &vmf);//调用定义好的fault函数，确保将所需的文件数据读入到映射页
	
	if (unlikely(ret & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE)))
		return ret;

	if (unlikely(PageHWPoison(vmf.page))) {
		if (ret & VM_FAULT_LOCKED)
			unlock_page(vmf.page);
		return VM_FAULT_HWPOISON;
	}

	/*
	 * For consistency in subsequent calls, make the faulted page always
	 * locked.
	 */
	if (unlikely(!(ret & VM_FAULT_LOCKED)))
		lock_page(vmf.page);
	else
		VM_BUG_ON(!PageLocked(vmf.page));

	/*
	 * Should we do an early C-O-W break?
	 */
	page = vmf.page;
	if (flags & FAULT_FLAG_WRITE) {//写访问
		if (!(vma->vm_flags & VM_SHARED)) {//私有映射，则要创建一个副本进行写时复制
			anon = 1;// 标记为一个匿名映射
			if (unlikely(anon_vma_prepare(vma))) {//创建一个anon_vma实例给vma
				ret = VM_FAULT_OOM;
				goto out;
			}
			page = alloc_page_vma(GFP_HIGHUSER_MOVABLE,//分配一个页
						vma, address);
			if (!page) {
				ret = VM_FAULT_OOM;
				goto out;
			}
			if (mem_cgroup_newpage_charge(page, mm, GFP_KERNEL)) {
				ret = VM_FAULT_OOM;
				page_cache_release(page);
				goto out;
			}
			charged = 1;
			/*
			 * Don't let another task, with possibly unlocked vma,
			 * keep the mlocked page.
			 */
			if (vma->vm_flags & VM_LOCKED)
				clear_page_mlock(vmf.page);
			/*创建数据的副本，将数据拷贝到新分配的页*/
			copy_user_highpage(page, vmf.page, address, vma);
			__SetPageUptodate(page);
		} else {
			/*
			 * If the page will be shareable, see if the backing
			 * address space wants to know that the page is about
			 * to become writable
			 */
			if (vma->vm_ops->page_mkwrite) {
				int tmp;

				unlock_page(page);
				vmf.flags = FAULT_FLAG_WRITE|FAULT_FLAG_MKWRITE;
				tmp = vma->vm_ops->page_mkwrite(vma, &vmf);
				if (unlikely(tmp &
					  (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE))) {
					ret = tmp;
					goto unwritable_page;
				}
				if (unlikely(!(tmp & VM_FAULT_LOCKED))) {
					lock_page(page);
					if (!page->mapping) {
						ret = 0; /* retry the fault */
						unlock_page(page);
						goto unwritable_page;
					}
				} else
					VM_BUG_ON(!PageLocked(page));
				page_mkwrite = 1;
			}
		}

	}

	page_table = pte_offset_map_lock(mm, pmd, address, &ptl);

	/*
	 * This silly early PAGE_DIRTY setting removes a race
	 * due to the bad i386 page protection. But it's valid
	 * for other architectures too.
	 *
	 * Note that if FAULT_FLAG_WRITE is set, we either now have
	 * an exclusive copy of the page, or this is a shared mapping,
	 * so we can make it writable and dirty to avoid having to
	 * handle that later.
	 */
	/* Only go through if we didn't race with anybody else... */
	if (likely(pte_same(*page_table, orig_pte))) {//确定没有竞争，也就是页表项中的内容和之前是一样的
		flush_icache_page(vma, page);
		entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);//页表项指向对应的物理页

		/*如果是写操作，则将页的访问权限置为RW*/
		if (flags & FAULT_FLAG_WRITE)
			entry = maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry), vma);

		/*如果之前生成的页是匿名的，则将其集成到逆向映射当中*/
		if (anon) {
			inc_mm_counter(mm, anon_rss);
			page_add_new_anon_rmap(page, vma, address);//建立匿名页与第一个vma的逆向映射
		} else {
			inc_mm_counter(mm, file_rss);
			page_add_file_rmap(page);//建立页与vma的普通映射
			if (flags & FAULT_FLAG_WRITE) {
				dirty_page = page;
				get_page(dirty_page);
			}
		}
		set_pte_at(mm, address, page_table, entry);//修改page_table使其指向entry对应的页框

		/* no need to invalidate: a not-present page won't be cached */
		update_mmu_cache(vma, address, entry);
	} else {
		if (charged)
			mem_cgroup_uncharge_page(page);
		if (anon)
			page_cache_release(page);
		else
			anon = 1; /* no anon but release faulted_page */
	}

	pte_unmap_unlock(page_table, ptl);

out:
	if (dirty_page) {
		struct address_space *mapping = page->mapping;

		if (set_page_dirty(dirty_page))
			page_mkwrite = 1;
		unlock_page(dirty_page);
		put_page(dirty_page);
		if (page_mkwrite && mapping) {
			/*
			 * Some device drivers do not set page.mapping but still
			 * dirty their pages
			 */
			balance_dirty_pages_ratelimited(mapping);
		}

		/* file_update_time outside page_lock */
		if (vma->vm_file)
			file_update_time(vma->vm_file);
	} else {
		unlock_page(vmf.page);
		if (anon)
			page_cache_release(vmf.page);
	}

	return ret;

unwritable_page:
	page_cache_release(page);
	return ret;
}

首先要做的就是调用vma->vm_ops中定义好的fault()函数，将所需的数据从文件读入到映射页中，该函数还会将vma插入到映射页的mapping->i_mmap优先树中。

文件一般以共享的方式进行映射，接下来就要判断触发异常的操作是否包含写操作，如果是写操作并且该vma不是以共享的方式映射该页，则要进行写时复制，也就是创建一个新的页来供该vma读写，此时会申请一个匿名页，并将数据拷贝到该匿名页中。

接下来就要计算出page对应的pte值是多少，并将page_table指向的pte以该值进行填充，这样就完成了页表项到物理页的映射

再来看分配匿名页的处理

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;

	pte_unmap(page_table);

	/* Check if we need to add a guard page to the stack */
	if (check_stack_guard_page(vma, address) < 0)
		return VM_FAULT_SIGBUS;

	/* Use the zero-page for reads */
	/*如果是读操作，那么就让entry指向一个已有的填充为0的现有页，因为进程是第一次访问该页，
	  所以页中的内容是什么并不重要，这样进一步推迟了新页的分配*/
	if (!(flags & FAULT_FLAG_WRITE)) {
		entry = pte_mkspecial(pfn_pte(my_zero_pfn(address),
						vma->vm_page_prot));
		page_table = pte_offset_map_lock(mm, pmd, address, &ptl);
		if (!pte_none(*page_table))
			goto unlock;
		goto setpte;
	}

	/*如果是写操作，则要分配一个新的页*/
	/* Allocate our own private page. */
	if (unlikely(anon_vma_prepare(vma)))//分配一个anon_vma实例
		goto oom;
	
	/*分配一个被0填充的页*/
	page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, address);
	if (!page)
		goto oom;
	__SetPageUptodate(page);

	if (mem_cgroup_newpage_charge(page, mm, GFP_KERNEL))
		goto oom_free_page;

	/*获取页对应的PTE内容*/
	entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);

	/*如果是写操作则将页的权限设为读写并设置为脏页*/
	if (vma->vm_flags & VM_WRITE)
		entry = pte_mkwrite(pte_mkdirty(entry));

	page_table = pte_offset_map_lock(mm, pmd, address, &ptl);
	if (!pte_none(*page_table))
		goto release;

	inc_mm_counter(mm, anon_rss);
	page_add_new_anon_rmap(page, vma, address);//建立线性区和匿名页的反向映射
setpte:
	set_pte_at(mm, address, page_table, entry);//设置page_table对应的pte

	/* No need to invalidate - it was non-present before */
	update_mmu_cache(vma, address, entry);//更新MMU缓存
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;
}

匿名页分配的工作和__do_fault()中分配匿名页差不多，只不过前面多了一个读写的判断，如果是读的话，不会分配匿名页，而是让pte指向一个被0填充的页，这样就进一步推迟了页的分配。也许你会觉得奇怪，既然要读数据怎么可以分配一个事先准备好的全0的页，其实仔细想想就会明白，缺页异常处理进行到这里，一定是第一次访问相应的内存时才会触发，匿名页对应的一般都是堆，栈这些区域，对这些区域的访问一定先是写而不是读，所以对于这种操作本身就不正常，分配一个被0填充的页使用户进程读出来的都是0也许会更安全一些。

如果不是这两种情况的话，也就是说pte_none()返回的是0，那就说明pte之前映射过页，只是该页已被换出

如果该页之前是用来进行非线性文件映射的话，其处理的主体函数就是上面介绍过的__do_fault()

static int do_nonlinear_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
		unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,
		unsigned int flags, pte_t orig_pte)
{
	pgoff_t pgoff;

	flags |= FAULT_FLAG_NONLINEAR;


	if (!pte_unmap_same(mm, pmd, page_table, orig_pte))
		return 0;

	if (unlikely(!(vma->vm_flags & VM_NONLINEAR))) {//确保vma具有非线性映射属性
		/*
		 * Page table corrupted: show pte and kill process.
		 */
		print_bad_pte(vma, address, orig_pte, NULL);
		return VM_FAULT_SIGBUS;
	}

	pgoff = pte_to_pgoff(orig_pte);//获取映射的文件偏移
	return __do_fault(mm, vma, address, pmd, pgoff, flags, orig_pte);
}

pte_to_pgoff()这个函数是和pgoff_to_pte()相对的一组操作。在非线性文件映射的页被换出时，其映射文件的偏移会以PAGE_SIZE为单位进行编码，存储到其pte中，所以当要重新换入该页时，要进行相应的解码计算出pgoff，再由__do_fault()进行处理！

对于页没有驻留在主存的情况中的最后一种处理方式，do_swap_page()，留在下次再做分析！