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kernel 3.10代码分析--缺页异常(page fault)处理流程

分类： LINUX

2014-08-18 21:30:39

原文地址：kernel 3.10代码分析--缺页异常(page fault)处理流程 作者：humjb_1983

kernel 3.10内核源码分析--缺页异常(page fault)处理流程
基本原理
1、page fault由硬件产生，是一种“异常”。产生条件为：当CPU访问某线性地址，而该线性地址还没有对应的页表项，即还没有分配相应的物理内存并进行映射时，自动产生异常。
2、page fault基本流程：
从cr2中获取发生异常的地址
  缺页地址位于内核态
    位于vmalloc区？->从主内核页表同步数据到进程页表
    非vmalloc区 ->不应该产生page fault->oops
  缺页地址位于用户态
     缺页上下文发生在内核态
        exception table中有相应的处理项？ ->进行修正
        没有 ->oops
     查找vma
        找到？-> 是否expand stack？->堆栈扩展
                       不是->正常的缺页处理：handle_mm_fault                    
        没找到->bad_area    

点击(此处)折叠或打开

  1. /*
  2.   *缺页异常主处理函数。
  3.   *regs:异常时的寄存器信息；
  4.   *error_code-当异常发生时，硬件压入栈中的错误代码。
  5.   *             当第0位被清0时，则异常是由一个不存在的页所引起的。否则是由无效的访问权限引起的。
  6.   *             如果第1位被清0，则异常由读访问或者执行访问所引起，如果被设置，则异常由写访问引起。
  7.   *             如果第2位被清0，则异常发生在内核态，否则异常发生在用户态。
  8.   */
  9. static void __kprobes
  10. __do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
  11. {
  12.     struct vm_area_struct *vma;
  13.     struct task_struct *tsk;
  14.     unsigned long address;
  15.     struct mm_struct *mm;
  16.     int fault;
  17.     int write = error_code & PF_WRITE;
  18.     unsigned int flags = FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY | FAULT_FLAG_KILLABLE |
  19.                     (write ? FAULT_FLAG_WRITE : 0);

  21.     tsk = current;
  22.     mm = tsk->mm;

  24.     /* Get the faulting address: */
  25.     //缺页异常的地址默认存放于CR2寄存器中，x86硬件决定
  26.     address = read_cr2();

  28.     /*
  29.      * Detect and handle instructions that would cause a page fault for
  30.      * both a tracked kernel page and a userspace page.
  31.      */
  32.     if (kmemcheck_active(regs))
  33.         kmemcheck_hide(regs);
  34.     prefetchw(&mm->mmap_sem);

  36.     // mmio不应该发生缺页，通常都会ioremap到vmalloc区，然后进行访问
  37.     if (unlikely(kmmio_fault(regs, address)))
  38.         return;

  40.     /*
  41.      * We fault-in kernel-space virtual memory on-demand. The
  42.      * 'reference' page table is init_mm.pgd.
  43.      *
  44.      * We MUST NOT take any locks for this case. We may
  45.      * be in an interrupt or a critical region, and should
  46.      * only copy the information from the master page table,
  47.      * nothing more.
  48.      *
  49.      * This verifies that the fault happens in kernel space
  50.      * (error_code & 4) == 0, and that the fault was not a
  51.      * protection error (error_code & 9) == 0.
  52.      */
  53.      /*
  54.      * 缺页地址位于内核空间。并不代表异常发生于内核空间，有可能是用户
  55.      * 态访问了内核空间的地址。
  56.      */
  57.     if (unlikely(fault_in_kernel_space(address))) {
  58.         if (!(error_code & (PF_RSVD | PF_USER | PF_PROT))) {
  59.             /*
  60.              * 检查发生缺页的地址是否在vmalloc区，是则进行相应的处理
  61.              * 主要是从内核主页表向进程页表同步数据
  62.              */
  63.             if (vmalloc_fault(address) >= 0)
  64.                 return;

  66.             if (kmemcheck_fault(regs, address, error_code))
  67.                 return;
  68.         }

  70.         /* Can handle a stale RO->RW TLB: */
  71.         /*
  72.          * 检查是否是由于陈旧的TLB导致的假的pagefault(由于TLB的延迟flush导致,
  73.          * 因为提前flush会有比较大的性能代价)。
  74.          */
  75.         if (spurious_fault(error_code, address))
  76.             return;

  78.         /* kprobes don't want to hook the spurious faults: */
  79.         if (notify_page_fault(regs))
  80.             return;
  81.         /*
  82.          * Don't take the mm semaphore here. If we fixup a prefetch
  83.          * fault we could otherwise deadlock:
  84.          */
  85.         /*
  86.          * 有问题了: 由于异常地址位于内核态，触发内核异常，因为vmalloc
  87.          * 区的缺页异常前面已经处理过了，内核态的缺页异常只能发生在
  88.          * vmalloc区，如果不是，那就是内核异常了。
  89.          */
  90.         bad_area_nosemaphore(regs, error_code, address);

  92.         return;
  93.     }

  95.     // 进入到这里，说明异常地址位于用户态
  96.     /* kprobes don't want to hook the spurious faults: */
  97.     if (unlikely(notify_page_fault(regs)))
  98.         return;
  99.     /*
  100.      * It's safe to allow irq's after cr2 has been saved and the
  101.      * vmalloc fault has been handled.
  102.      *
  103.      * User-mode registers count as a user access even for any
  104.      * potential system fault or CPU buglet:
  105.      */
  106.     /*
  107.      * 开中断，这种情况下，是安全的，可以缩短因缺页异常导致的关中断时长。
  108.      * 老内核版本中(2.6.11)没有这样的操作
  109.      */
  110.     if (user_mode_vm(regs)) {
  111.         local_irq_enable();
  112.         error_code |= PF_USER;
  113.     } else {
  114.         if (regs->flags & X86_EFLAGS_IF)
  115.             local_irq_enable();
  116.     }

  118.     if (unlikely(error_code & PF_RSVD))
  119.         pgtable_bad(regs, error_code, address);

  121.     if (static_cpu_has(X86_FEATURE_SMAP)) {
  122.         if (unlikely(smap_violation(error_code, regs))) {
  123.             bad_area_nosemaphore(regs, error_code, address);
  124.             return;
  125.         }
  126.     }

  128.     perf_sw_event(PERF_COUNT_SW_PAGE_FAULTS, 1, regs, address);

  130.     /*
  131.      * If we're in an interrupt, have no user context or are running
  132.      * in an atomic region then we must not take the fault:
  133.      */
  134.     /*
  135.      * 当缺页异常发生于中断或其它atomic上下文中时，则产生异常。
  136.      * 这种情况下，不应该再产生page fault
  137.      */
  138.     if (unlikely(in_atomic() || !mm)) {
  139.         bad_area_nosemaphore(regs, error_code, address);
  140.         return;
  141.     }

  143.     /*
  144.      * When running in the kernel we expect faults to occur only to
  145.      * addresses in user space. All other faults represent errors in
  146.      * the kernel and should generate an OOPS. Unfortunately, in the
  147.      * case of an erroneous fault occurring in a code path which already
  148.      * holds mmap_sem we will deadlock attempting to validate the fault
  149.      * against the address space. Luckily the kernel only validly
  150.      * references user space from well defined areas of code, which are
  151.      * listed in the exceptions table.
  152.      *
  153.      * As the vast majority of faults will be valid we will only perform
  154.      * the source reference check when there is a possibility of a
  155.      * deadlock. Attempt to lock the address space, if we cannot we then
  156.      * validate the source. If this is invalid we can skip the address
  157.      * space check, thus avoiding the deadlock:
  158.      */
  159.     if (unlikely(!down_read_trylock(&mm->mmap_sem))) {
  160.         /*
  161.          * 缺页发生在内核上下文，这种情况发生缺页的地址只能位于用户态地址空间
  162.          * 这种情况下，也只能为exceptions table中预先定义好的异常，如果exceptions
  163.          * table中没有预先定义的处理，或者缺页的地址位于内核态地址空间，则表示
  164.          * 错误，进入oops流程。
  165.          */
  166.         if ((error_code & PF_USER) == 0 &&
  167.          !search_exception_tables(regs->ip)) {
  168.             bad_area_nosemaphore(regs, error_code, address);
  169.             return;
  170.         }
  171. retry:
  172.         // 如果发生在用户态或者有exception table，说明不是内核异常
  173.         down_read(&mm->mmap_sem);
  174.     } else {
  175.         /*
  176.          * The above down_read_trylock() might have succeeded in
  177.          * which case we'll have missed the might_sleep() from
  178.          * down_read():
  179.          */
  180.         might_sleep();
  181.     }

  183.     // 在当前进程的地址空间中寻找发生异常的地址对应的VMA。
  184.     vma = find_vma(mm, address);
  185.     // 如果没找到VMA，则释放mem_sem信号量后，进入__bad_area_nosemaphore处理。
  186.     if (unlikely(!vma)) {
  187.         bad_area(regs, error_code, address);
  188.         return;
  189.     }
  190.     /* 找到VMA，且发生异常的虚拟地址位于vma的有效范围内，则为正常的缺页
  191.      * 异常，请求调页，分配物理内存 */
  192.     if (likely(vma->vm_start <= address))
  193.         goto good_area;
  194.     /* 如果异常地址不是位于紧挨着堆栈区的那个区域，同时又没有相应VMA，则
  195.      * 进程访问了非法地址，进入bad_area处理
  196.      */
  197.     if (unlikely(!(vma->vm_flags & VM_GROWSDOWN))) {
  198.         bad_area(regs, error_code, address);
  199.         return;
  200.     }
  201.     if (error_code & PF_USER) {
  202.         /*
  203.          * Accessing the stack below %sp is always a bug.
  204.          * The large cushion allows instructions like enter
  205.          * and pusha to work. ("enter $65535, $31" pushes
  206.          * 32 pointers and then decrements %sp by 65535.)
  207.          */
  208.         /*
  209.          * 压栈操作时，操作的地址最大的偏移为65536+32*sizeof(unsigned long),
  210.          * 该操作由pusha命令触发(老版本中，pusha命令最大只能操作32字节，即
  211.          * 同时压栈8个寄存器)。如果访问的地址距栈顶的距离超过了，则肯定是非法
  212.          * 地址访问了。
  213.          */
  214.         if (unlikely(address + 65536 + 32 * sizeof(unsigned long) < regs->sp)) {
  215.             bad_area(regs, error_code, address);
  216.             return;
  217.         }
  218.     }
  219.     
  220.     /*
  221.     * 运行到这里，说明设置了VM_GROWSDOWN标记，表示缺页异常地址位于堆栈区
  222.     * 需要扩展堆栈。说明: 堆栈区的虚拟地址空间也是动态分配和扩展的，不是
  223.     * 一开始就分配好的。
  224.     */
  225.     if (unlikely(expand_stack(vma, address))) {
  226.         bad_area(regs, error_code, address);
  227.         return;
  228.     }

  230.     /*
  231.      * Ok, we have a good vm_area for this memory access, so
  232.      * we can handle it..
  233.      */
  234.     /*
  235.      * 运行到这里，说明是正常的缺页异常，则进行请求调页，分配物理内存
  236.      */
  237. good_area:
  238.     if (unlikely(access_error(error_code, vma))) {
  239.         bad_area_access_error(regs, error_code, address);
  240.         return;
  241.     }

  243.     /*
  244.      * If for any reason at all we couldn't handle the fault,
  245.      * make sure we exit gracefully rather than endlessly redo
  246.      * the fault:
  247.      */
  248.     /*
  249.      * 分配物理内存，缺页异常的正常处理主函数
  250.      * 可能的情况有:1、请求调页/按需分配；2、COW；3、缺的页位于交换分区，
  251.      * 需要换入。
  252.      */
  253.     fault = handle_mm_fault(mm, vma, address, flags);

  255.     if (unlikely(fault & (VM_FAULT_RETRY|VM_FAULT_ERROR))) {
  256.         if (mm_fault_error(regs, error_code, address, fault))
  257.             return;
  258.     }

  260.     /*
  261.      * Major/minor page fault accounting is only done on the
  262.      * initial attempt. If we go through a retry, it is extremely
  263.      * likely that the page will be found in page cache at that point.
  264.      */
  265.     if (flags & FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY) {
  266.         if (fault & VM_FAULT_MAJOR) {
  267.             tsk->maj_flt++;
  268.             perf_sw_event(PERF_COUNT_SW_PAGE_FAULTS_MAJ, 1,
  269.                  regs, address);
  270.         } else {
  271.             tsk->min_flt++;
  272.             perf_sw_event(PERF_COUNT_SW_PAGE_FAULTS_MIN, 1,
  273.                  regs, address);
  274.         }
  275.         if (fault & VM_FAULT_RETRY) {
  276.             /* Clear FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY to avoid any risk
  277.              * of starvation. */
  278.             flags &= ~FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY;
  279.             flags |= FAULT_FLAG_TRIED;
  280.             goto retry;
  281.         }
  282.     }

  284.     // VM86模式(兼容老环境)相关检查
  285.     check_v8086_mode(regs, address, tsk);

  287.     up_read(&mm->mmap_sem);
  288. }

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