用户空间缺页异常pte_handle_fault()分析

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~

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1. static inline int handle_pte_fault(struct mm_struct *mm,  
2.         struct vm_area_struct *vma, unsigned long address,  
3.         pte_t *pte, pmd_t *pmd, unsigned int flags)  
4. {  
5.     pte_t entry;  
6.     spinlock_t *ptl;  
7.   
8.     entry = *pte;  
9.     if (!pte_present(entry)) {//如果页不在主存中  
10.         if (pte_none(entry)) {//页表项内容为0，表明进程未访问过该页  
11.   
12.             /*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*/  
13.             if (vma->vm_ops) {  
14.                 if (likely(vma->vm_ops->fault))  
15.                     return do_linear_fault(mm, vma, address,  
16.                         pte, pmd, flags, entry);  
17.             }  
18.             /*否则分配匿名页*/  
19.             return do_anonymous_page(mm, vma, address,  
20.                          pte, pmd, flags);  
21.         }  
22.   
23.         /*属于非线性文件映射且已被换出*/  
24.         if (pte_file(entry))  
25.             return do_nonlinear_fault(mm, vma, address,  
26.                     pte, pmd, flags, entry);  
27.   
28.         /*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*/  
29.         return do_swap_page(mm, vma, address,  
30.                     pte, pmd, flags, entry);  
31.     }  
32.             
33.          ...  
34.          ...  
35.   
36. }  

 

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:

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1. static int do_linear_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,  
2.         unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,  
3.         unsigned int flags, pte_t orig_pte)  
4. {  
5.     pgoff_t pgoff = (((address & PAGE_MASK)  
6.             - vma->vm_start) >> PAGE_SHIFT) + vma->vm_pgoff;  
7.   
8.     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  
9.     return __do_fault(mm, vma, address, pmd, pgoff, flags, orig_pte);  
10. }  

关键函数__do_fault():

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1. static int __do_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,  
2.         unsigned long address, pmd_t *pmd,  
3.         pgoff_t pgoff, unsigned int flags, pte_t orig_pte)  
4. {  
5.     pte_t *page_table;  
6.     spinlock_t *ptl;  
7.     struct page *page;  
8.     pte_t entry;  
9.     int anon = 0;  
10.     int charged = 0;  
11.     struct page *dirty_page = NULL;  
12.     struct vm_fault vmf;  
13.     int ret;  
14.     int page_mkwrite = 0;  
15.   
16.     vmf.virtual_address = (void __user *)(address & PAGE_MASK);  
17.     vmf.pgoff = pgoff;  
18.     vmf.flags = flags;  
19.     vmf.page = NULL;  
20.   
21.     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  
22.       
23.     if (unlikely(ret & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE)))  
24.         return ret;  
25.   
26.     if (unlikely(PageHWPoison(vmf.page))) {  
27.         if (ret & VM_FAULT_LOCKED)  
28.             unlock_page(vmf.page);  
29.         return VM_FAULT_HWPOISON;  
30.     }  
31.   
32.     /* 
33.      * For consistency in subsequent calls, make the faulted page always 
34.      * locked. 
35.      */  
36.     if (unlikely(!(ret & VM_FAULT_LOCKED)))  
37.         lock_page(vmf.page);  
38.     else  
39.         VM_BUG_ON(!PageLocked(vmf.page));  
40.   
41.     /* 
42.      * Should we do an early C-O-W break? 
43.      */  
44.     page = vmf.page;  
45.     if (flags & FAULT_FLAG_WRITE) {//写访问  
46.         if (!(vma->vm_flags & VM_SHARED)) {//私有映射，则要创建一个副本进行写时复制  
47.             anon = 1;// 标记为一个匿名映射  
48.             if (unlikely(anon_vma_prepare(vma))) {//创建一个anon_vma实例给vma  
49.                 ret = VM_FAULT_OOM;  
50.                 goto out;  
51.             }  
52.             page = alloc_page_vma(GFP_HIGHUSER_MOVABLE,//分配一个页  
53.                         vma, address);  
54.             if (!page) {  
55.                 ret = VM_FAULT_OOM;  
56.                 goto out;  
57.             }  
58.             if (mem_cgroup_newpage_charge(page, mm, GFP_KERNEL)) {  
59.                 ret = VM_FAULT_OOM;  
60.                 page_cache_release(page);  
61.                 goto out;  
62.             }  
63.             charged = 1;  
64.             /* 
65.              * Don't let another task, with possibly unlocked vma, 
66.              * keep the mlocked page. 
67.              */  
68.             if (vma->vm_flags & VM_LOCKED)  
69.                 clear_page_mlock(vmf.page);  
70.             /*创建数据的副本，将数据拷贝到新分配的页*/  
71.             copy_user_highpage(page, vmf.page, address, vma);  
72.             __SetPageUptodate(page);  
73.         } else {  
74.             /* 
75.              * If the page will be shareable, see if the backing 
76.              * address space wants to know that the page is about 
77.              * to become writable 
78.              */  
79.             if (vma->vm_ops->page_mkwrite) {  
80.                 int tmp;  
81.   
82.                 unlock_page(page);  
83.                 vmf.flags = FAULT_FLAG_WRITE|FAULT_FLAG_MKWRITE;  
84.                 tmp = vma->vm_ops->page_mkwrite(vma, &vmf);  
85.                 if (unlikely(tmp &  
86.                       (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_NOPAGE))) {  
87.                     ret = tmp;  
88.                     goto unwritable_page;  
89.                 }  
90.                 if (unlikely(!(tmp & VM_FAULT_LOCKED))) {  
91.                     lock_page(page);  
92.                     if (!page->mapping) {  
93.                         ret = 0; /* retry the fault */  
94.                         unlock_page(page);  
95.                         goto unwritable_page;  
96.                     }  
97.                 } else  
98.                     VM_BUG_ON(!PageLocked(page));  
99.                 page_mkwrite = 1;  
100.             }  
101.         }  
102.   
103.     }  
104.   
105.     page_table = pte_offset_map_lock(mm, pmd, address, &ptl);  
106.   
107.     /* 
108.      * This silly early PAGE_DIRTY setting removes a race 
109.      * due to the bad i386 page protection. But it's valid 
110.      * for other architectures too. 
111.      * 
112.      * Note that if FAULT_FLAG_WRITE is set, we either now have 
113.      * an exclusive copy of the page, or this is a shared mapping, 
114.      * so we can make it writable and dirty to avoid having to 
115.      * handle that later. 
116.      */  
117.     /* Only go through if we didn't race with anybody else... */  
118.     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  
119.         flush_icache_page(vma, page);  
120.         entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);//页表项指向对应的物理页  
121.   
122.         /*如果是写操作，则将页的访问权限置为RW*/  
123.         if (flags & FAULT_FLAG_WRITE)  
124.             entry = maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry), vma);  
125.   
126.         /*如果之前生成的页是匿名的，则将其集成到逆向映射当中*/  
127.         if (anon) {  
128.             inc_mm_counter(mm, anon_rss);  
129.             page_add_new_anon_rmap(page, vma, address);//建立匿名页与第一个vma的逆向映射  
130.         } else {  
131.             inc_mm_counter(mm, file_rss);  
132.             page_add_file_rmap(page);//建立页与vma的普通映射  
133.             if (flags & FAULT_FLAG_WRITE) {  
134.                 dirty_page = page;  
135.                 get_page(dirty_page);  
136.             }  
137.         }  
138.         set_pte_at(mm, address, page_table, entry);//修改page_table使其指向entry对应的页框  
139.   
140.         /* no need to invalidate: a not-present page won't be cached */  
141.         update_mmu_cache(vma, address, entry);  
142.     } else {  
143.         if (charged)  
144.             mem_cgroup_uncharge_page(page);  
145.         if (anon)  
146.             page_cache_release(page);  
147.         else  
148.             anon = 1; /* no anon but release faulted_page */  
149.     }  
150.   
151.     pte_unmap_unlock(page_table, ptl);  
152.   
153. out:  
154.     if (dirty_page) {  
155.         struct address_space *mapping = page->mapping;  
156.   
157.         if (set_page_dirty(dirty_page))  
158.             page_mkwrite = 1;  
159.         unlock_page(dirty_page);  
160.         put_page(dirty_page);  
161.         if (page_mkwrite && mapping) {  
162.             /* 
163.              * Some device drivers do not set page.mapping but still 
164.              * dirty their pages 
165.              */  
166.             balance_dirty_pages_ratelimited(mapping);  
167.         }  
168.   
169.         /* file_update_time outside page_lock */  
170.         if (vma->vm_file)  
171.             file_update_time(vma->vm_file);  
172.     } else {  
173.         unlock_page(vmf.page);  
174.         if (anon)  
175.             page_cache_release(vmf.page);  
176.     }  
177.   
178.     return ret;  
179.   
180. unwritable_page:  
181.     page_cache_release(page);  
182.     return ret;  
183. }  

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

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1. static int do_anonymous_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,  
2.         unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,  
3.         unsigned int flags)  
4. {  
5.     struct page *page;  
6.     spinlock_t *ptl;  
7.     pte_t entry;  
8.   
9.     pte_unmap(page_table);  
10.   
11.     /* Check if we need to add a guard page to the stack */  
12.     if (check_stack_guard_page(vma, address) < 0)  
13.         return VM_FAULT_SIGBUS;  
14.   
15.     /* Use the zero-page for reads */  
16.     /*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， 
17.       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*/  
18.     if (!(flags & FAULT_FLAG_WRITE)) {  
19.         entry = pte_mkspecial(pfn_pte(my_zero_pfn(address),  
20.                         vma->vm_page_prot));  
21.         page_table = pte_offset_map_lock(mm, pmd, address, &ptl);  
22.         if (!pte_none(*page_table))  
23.             goto unlock;  
24.         goto setpte;  
25.     }  
26.   
27.     /*如果是写操作，则要分配一个新的页*/  
28.     /* Allocate our own private page. */  
29.     if (unlikely(anon_vma_prepare(vma)))//分配一个anon_vma实例  
30.         goto oom;  
31.       
32.     /*分配一个被0填充的页*/  
33.     page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, address);  
34.     if (!page)  
35.         goto oom;  
36.     __SetPageUptodate(page);  
37.   
38.     if (mem_cgroup_newpage_charge(page, mm, GFP_KERNEL))  
39.         goto oom_free_page;  
40.   
41.     /*获取页对应的PTE内容*/  
42.     entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);  
43.   
44.     /*如果是写操作则将页的权限设为读写并设置为脏页*/  
45.     if (vma->vm_flags & VM_WRITE)  
46.         entry = pte_mkwrite(pte_mkdirty(entry));  
47.   
48.     page_table = pte_offset_map_lock(mm, pmd, address, &ptl);  
49.     if (!pte_none(*page_table))  
50.         goto release;  
51.   
52.     inc_mm_counter(mm, anon_rss);  
53.     page_add_new_anon_rmap(page, vma, address);//建立线性区和匿名页的反向映射  
54. setpte:  
55.     set_pte_at(mm, address, page_table, entry);//设置page_table对应的pte  
56.   
57.     /* No need to invalidate - it was non-present before */  
58.     update_mmu_cache(vma, address, entry);//更新MMU缓存  
59. unlock:  
60.     pte_unmap_unlock(page_table, ptl);  
61.     return 0;  
62. release:  
63.     mem_cgroup_uncharge_page(page);  
64.     page_cache_release(page);  
65.     goto unlock;  
66. oom_free_page:  
67.     page_cache_release(page);  
68. oom:  
69.     return VM_FAULT_OOM;  
70. }  

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()

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1. static int do_nonlinear_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,  
2.         unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,  
3.         unsigned int flags, pte_t orig_pte)  
4. {  
5.     pgoff_t pgoff;  
6.   
7.     flags |= FAULT_FLAG_NONLINEAR;  
8.   
9.   
10.     if (!pte_unmap_same(mm, pmd, page_table, orig_pte))  
11.         return 0;  
12.   
13.     if (unlikely(!(vma->vm_flags & VM_NONLINEAR))) {//确保vma具有非线性映射属性  
14.         /* 
15.          * Page table corrupted: show pte and kill process. 
16.          */  
17.         print_bad_pte(vma, address, orig_pte, NULL);  
18.         return VM_FAULT_SIGBUS;  
19.     }  
20.   
21.     pgoff = pte_to_pgoff(orig_pte);//获取映射的文件偏移  
22.     return __do_fault(mm, vma, address, pmd, pgoff, flags, orig_pte);  
23. }  

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！