Linux中的缺页异常的处理流程

本文提供了x86和MIPS两个不同架构版本之间的对比介绍,通过图片形式展示了两者之间的区别,有助于理解不同处理器架构的特点。

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x86版本:

MIPS版本:

转载于:https://www.cnblogs.com/gngshn/p/4651796.html

<think>好的,我需要分析用户关于Linux内核缺页异常代码的请求。首先,用户希望了解缺页异常的代码实现,我需要确保回答结构清晰,分步骤讲解。用户可能有一定的操作系统基础,但可能需要具体的代码路径和关键函数说明。 接下来,我需要回忆Linux内核处理缺页异常的主要流程缺页异常通常发生在虚拟地址没有映射到物理页,或者访问权限不足时。关键处理函数是handle_mm_fault,它在arch/x86/mm/fault.c中,由do_page_fault调用。 要分步骤解释,首先应该介绍缺页异常的触发条件,比如访问未分配的虚拟内存、写只读页等。然后,说明处理流程,包括检查地址有效性、查找vma、处理匿名映射和文件映射等不同情况。 还要考虑用户可能对代码结构不熟悉,需要指出关键函数和文件位置,比如__handle_mm_fault、handle_pte_fault,以及处理匿名页的do_anonymous_page和文件页的do_fault。同时,提及写时复制的do_wp_page函数。 需要注意权限检查和实际分配物理页面的过程,比如使用alloc_zeroed_user_highpage_movable。另外,处理过程中的mmap_sem锁和并发问题也需要简要说明。 最后,确保使用正确的中文术语,避免代码格式错误,并按照系统级指令使用LaTeX行内公式,例如提到地址转换时使用$virtual\_address$。检查是否有遗漏的关键点,如用户可见层要求的真实可靠,确保引用的函数和路径准确,符合当前内核版本的情况。</think>以下是对Linux内核缺页异常处理的代码分析,按处理流程分层说明: --- ### 一、缺页异常触发条件 当CPU访问虚拟地址时出现以下情况会触发缺页异常: 1. 虚拟地址未分配物理页(无有效页表项) 2. 物理页存在但权限不足(如写只读页) 3. 交换页未加载到内存(需换入) --- ### 二、关键代码路径 ```c // arch/x86/mm/fault.c void do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code) -> handle_mm_fault(vma, address, flags) -> __handle_mm_fault(vma, address, flags) -> handle_pte_fault(vmf) // 分支处理 if (!vmf->pte) do_anonymous_page(vmf) // 匿名页处理 else if (vmf->flags & FAULT_FLAG_WRITE) do_wp_page(vmf) // 写时复制 else do_fault(vmf) // 文件映射处理 ``` --- ### 三、核心处理逻辑 #### 1. 匿名页缺页(do_anonymous_page) - **场景**:访问未初始化的堆/栈内存 - **步骤**: 1. 检查是否允许写操作(`VM_WRITE`标志) 2. 分配零页(`alloc_zeroed_user_highpage_movable`) 3. 建立页表项(`set_pte_at`) #### 2. 文件映射缺页(do_fault) - **场景**:访问mmap映射的文件区域 - **类型**: - `do_read_fault`:读未加载的页 - `do_cow_fault`:写私有映射触发COW - `do_shared_fault`:写共享映射 #### 3. 写时复制(do_wp_page) - **场景**:写私有只读页 - **步骤**: 1. 分配新物理页(`alloc_page_vma`) 2. 复制原页内容(`copy_user_highpage`) 3. 更新页表项为可写 --- ### 四、关键数据结构 ```c struct vm_fault { struct vm_area_struct *vma; // 对应的VMA unsigned int flags; // 错误标志 pte_t *pte; // 页表项指针 pte_t orig_pte; // 原始页表项值 }; ``` --- ### 五、权限检查机制 在`handle_mm_fault`前会进行: ```c // 检查地址是否在有效VMA范围内 vma = find_vma(mm, address); if (!vma || vma->vm_start > address) goto bad_area; // 检查访问权限是否匹配 if (write_access && !(vma->vm_flags & VM_WRITE)) goto bad_area; ``` --- ### 六、性能优化措施 1. **大页处理**:尝试建立2MB/1GB大页(`transparent_hugepage`) 2. **预读机制**:文件缺页时预加载相邻页 3. **锁优化**:使用`mmap_sem`的读锁提高并发性 --- ### 七、典型调用栈示例 ``` do_page_fault __handle_mm_fault handle_pte_fault do_anonymous_page alloc_zeroed_user_highpage_movable entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot) set_pte_at(mm, address, pte, entry) ``` 注:代码分析基于Linux 5.x内核版本,具体实现细节会随版本演进调整。需要结合CR3寄存器内容、页表层级遍历等硬件特性综合分析。
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