关于vmalloc缺页异常的一个问题

最新推荐文章于 2025-03-02 10:01:14 发布

lonewolfxw

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分类专栏： linux内核--内存管理

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本文探讨了进程在新建时如何复制页表及其内核部分，并解析了vmalloc为何会导致缺页异常，而持久映射和固定映射则不会。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

进程页表和vmalloc缺页异常

在新建进程时，新的线程会复制老的线程的页表，复制老线程的文件映射，匿名映射等，而且会复制页表项的全局页表项的内核部分，因为内核部分的页表的映射（除vmalloc）在启动内核时就已经建立好了，因此复制了全局页表项页就相当于复制了内核的页表。

pgd_t *pgd_alloc(struct mm_struct *mm)
{
pgd_t *pgd;
pmd_t *pmds[PREALLOCATED_PMDS];

pgd = (pgd_t *)__get_free_page(PGALLOC_GFP);

if (pgd == NULL)
goto out;

mm->pgd = pgd;

if (preallocate_pmds(pmds) != 0)
goto out_free_pgd;

if (paravirt_pgd_alloc(mm) != 0)
goto out_free_pmds;

/*
 * Make sure that pre-populating the pmds is atomic with
 * respect to anything walking the pgd_list, so that they
 * never see a partially populated pgd.
 */
spin_lock(&pgd_lock);

pgd_ctor(mm, pgd);
pgd_prepopulate_pmd(mm, pgd, pmds);

spin_unlock(&pgd_lock);

return pgd;

out_free_pmds:
free_pmds(pmds);
out_free_pgd:
free_page((unsigned long)pgd);
out:
return NULL;
}

static void pgd_ctor(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd)
{
/* If the pgd points to a shared pagetable level (either the
   ptes in non-PAE, or shared PMD in PAE), then just copy the
   references from swapper_pg_dir. */
if (PAGETABLE_LEVELS == 2 ||
    (PAGETABLE_LEVELS == 3 && SHARED_KERNEL_PMD) ||
    PAGETABLE_LEVELS == 4) {
clone_pgd_range(pgd + KERNEL_PGD_BOUNDARY,
swapper_pg_dir + KERNEL_PGD_BOUNDARY,
KERNEL_PGD_PTRS);
}

/* list required to sync kernel mapping updates */
if (!SHARED_KERNEL_PMD) {
pgd_set_mm(pgd, mm);
pgd_list_add(pgd);
}
}

因此当进程在内核态运行时不需要切换页表，因此也不需要刷新tlb，高速缓存等。

vmalloc会产生缺页异常而持久映射和固定映射不会产生映射的原因。

主要原因就在于vmalloc映射的地址区域过大，不在一个PMD的范围内才会产生缺页异常。因为进程在内核态使用的本身的页表，而页表的内核部分的从TASK_SIZE到max_low_pn<<PAGE_SHIFT，持久映射和原子的持久映射的部分的PMD在内核启动时就确定了，因此内核的全局页表项中和这些PMD相关的部分已经固定好了不会改变的，因此只要进程copy了pgd就相当于复制了内核的页表。

由于持久映射一次映射一页，持久映射的大小LASK_PKMAP为1024或者512个页，而且PKMAP_BASE是PMD_MASK对齐的，在32位4K页下也就是4M内存对齐的，刚好在pgd中占一项，因此持久映射不会影响到内核的全局页表项，因此每个进程的pgd的内核部分都是有效的，每个进程都能看到新的映射，因此不会产生缺页异常，而固定映射的大小也不会超过1024，因此修改都是全局可见的，再说了固定的地址都保存在tlb不会被刷出的，因此固定映射页不会产生缺页异常。所以，若产生了缺页异常，且地址在内核部分，只有可能是在vmalloc区域。