缺页异常(Page Faults) 和 Kernel Oops打印调用流程
在Linux中，进程和内核都是通过页表PTE访问一个物理页面的，如果无法访问到正确的地址，将产生page fault（缺页异常）。
常见场景：
- 地址空间映射关系未建立
1.1：malloc/mmap申请虚拟的地址空间并未分配实际物理页，首次访问触发缺页异常。 - 地址空间映射关系已建立
2.1：要访问的页面已经被swapping到了磁盘，访问时触发缺页异常。
2.2：fork子进程时，子进程共享父进程的地址空间，写是触发缺页异常(COW技术)。
2.3：要访问的页面被KSM合并，写时触发缺页异常(COW技术)。
2.4：兼容的ARM32体系架构模拟PTE_DIRTY PTE_YOUNG比特。 - 访问的地址空间不合法
3.1：用户空间访问内核空间地址，触发缺页异常。
3.2：内核空间访问用户空间地址，触发缺页异常。(不包括copy_to/from_user的情况)
直接放图，图中大致体现了cpu处于el0和el1等级下，从触发缺页异常到进入do_page_fault之前的流程处理。
（代码：arch/arm64/entry.S）
hy：el0、el1代表是用户空间还是内核空间发生的缺页异常。
缺页异常前的代码分析：
假设发生的是el0等级下的data abort，代码执行路径为：el0_sync->el0_da->do_mem_abort，el0_sync->el0_da。
主要是为调用do_mem_abort准备三个形参，函数声明如下。
void do_mem_abort(unsigned long addr, unsigned int esr, struct pt_regs *regs)
addr：FAR存器中存放的出错地址。
esr： ESR寄存器中记录的MMU fault具体信息。
regs：异常发生时保存的寄存器信息pt_regs。
el0_da:mrs x26, far_el1 //获取far寄存器中的异常地址enable_daifct_user_exitclear_address_tag x0, x26mov x1, x25 //获取el0_sync中保存的esr寄存器内容mov x2, sp //获取sp指向的pt_regs指针bl do_mem_abort //带着三个形参跳入do_mem_abortb ret_to_user/** Fall through to the Data abort case*/
el1_da:/** Data abort handling*/mrs x3, far_el1inherit_daif pstate=x23, tmp=x2clear_address_tag x0, x3mov x2, sp // struct pt_regsbl do_mem_abortkernel_exit 1do_mem_abort() :
do_mem_abort()可以看做错误处理的入口。linux内核为各种同步类型的MMU faults定义了相关的处理函数，并保存在名为fault_info[]的数组中。当发生错误时，do_mem_abort函数会根据ESR寄存器中的错误信息对应到fault_info[]中的处理函数。fault_info[]的定义如下：
static const struct fault_info fault_info[] = {{ do_bad, SIGKILL, SI_KERNEL, "ttbr address size fault" }, { do_bad, SIGKILL, SI_KERNEL, "level 1 address size fault" }, { do_bad, SIGKILL, SI_KERNEL, "level 2 address size fault" }, { do_bad, SIGKILL, SI_KERNEL, "level 3 address size fault" }, { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 0 translation fault" }, el0下发生的translation错误 { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 1 translation fault" }, el1下发生的translation错误 { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 2 translation fault" }, el2下发生的translation错误 { do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 3 translation fault" }, el3下发生的translation错误 { do_bad, SIGKILL, SI_KERNEL, "unknown 8" }, { do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 1 access flag fault" }, { do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 2 access flag fault" }, { do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 3 access flag fault" }, { do_bad, SIGKILL, SI_KERNEL, "unknown 12" }, { do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 1 permission fault" }, { do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 2 permission fault" }, { do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 3 permission fault" }, ......
}
/*此函数逻辑很简单，通过ESR寄存器的内容找到对应的fault_info并执行对应handler*/
asmlinkage void __exception do_mem_abort(unsigned long addr, unsigned int esr, struct pt_regs *regs)
{const struct fault_info *inf = esr_to_fault_info(esr); //根据esr的值查询fault_info[]，其定义了所有的内存异常情况处理。if (!inf->fn(addr, esr, regs)) //将形参addr和regs传给handler，并执行handlerreturn; //若返回0，代表成功，并直接return。......
}我们主要关注两个错误处理函数do_translation_fault()和do_page_fault()，
do_translation_fault()是处理页表pgd/pud/pmd/pte在转换过程中出现的错误，
do_page_fault()是处理访问PTE相关的错误。
do_translation_fault()最终仍调用do_page_fault()，所以接下来的代码分析围绕核心函数do_page_fault()。
do_page_fault :
do_page_fault这个函数相对复杂，其中有着大量条件判断，我梳理出下主要几个阶段并画了幅流程图，二者结合起来看会比较清晰。(就不贴冗长的代码了，读者可自行结合代码看)
主要阶段：
阶段1：判断缺页异常是否发生在内核线程或原子上下文中(中断也属于一种原子上下文)，是的话执行do_kernel_fault尝试修复或报段错误。
阶段2：判断是否是内核态访问用户地址空间的情况，是的话判断是否是指定的三种情况，是则报段错误。
阶段3：进入_do_page_fault, 查找异常地址所在的vm_area_struct域，并走表(page table walk)查找address对应PGD PUD PMD，最终找到PTE。
阶段4：进入handle_pte_fault()，判断PTE为空的话，说明用户空间申请了虚拟地址后第一次访问，尚未映射物理页面。在根据页面类型分别执行do_anonymous_page或do_fault。
阶段5：PTE非空表示已经建立过映射。判断PTE的present位是否为真，非真说明页面被swapping到磁盘上，随即执行do_swap_page。
阶段6：判断PTE_PROT_NONE是否为真，若为真执行do_numa_page产生页面迁移。
阶段7：判断错误类型，若是写类型的错误，再判断PTE的读写权限。只读的话说明页面是写保护的，调用do_wp_page。
阶段8: 为了兼容ARM32，ARM32体系架构的Hardware PTE中不支持DIRTY YOUNG等bit位，所以通过软件上配合缺页异常进行模拟。
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由于造成内核空间和用户空间的page fault的原因不尽相同，因此其处理流程也有所区别。
对于用户空间，需要区分多种情况，page fault的处理显得更为复杂。
首先，访问的内存地址必须是合法的，所谓「合法」，就是该地址一定是落在进程的某个VMA区间内。
假设现在一个进程的地址空间分布如下，那么address B是合法的（good area），address A就是非法的（bad area）。
地址落在进程的地址空间内，但对地址的访问权限不对（比如试图写入一个readonly的区域），也是非法的。访问了非法的地址，或者非法地访问了地址，就不是page fault那么简单了，将进一步上升到segmentation fault。
如果地址合法，权限也正确，那么还得分两种情况来讨论。
第一种情况是PTE不存在，这会出现在：
- 对于anonymous page，用户空间使用malloc()进行内存申请时（对应底层的实现是mmap或者brk），内核并不会立刻为其分配物理内存，而只是为请求的进程的rbtree管理的vma信息中记录（添加或更改）诸如内存范围和标志之类的信息。
只有当内存被真正使用，触发page fault，才会真正分配物理页面和对应的页表项，即demand alloction，对应的函数实现是do_anonymous_page()。通过mmap映射建立的heap和stack等内存区域，在初始未使用时，也适用于这样的规则。
- 对于page cache， 在发生内存回收后，部分text(code)段的页面会被discard，部分data段的页面会被writeback，之后再次访问这些页面，也将出现page fault。此时，需要从外部存储介质中，将页面内容调回内存，即demand paging，对应的函数实现是do_fault()。
第二种情况是PTE存在，
但其中的"P(resent)"位为0，说明这是一个之前被swap out出去的anonymous page。现在PTE里存储的不是物理页面的编号PPN，而是外部swap area中slot的编号swp_entry_t，需要通过do_swap_page()，执行swap in操作将页面的内容拷贝回内存。
/* orig_pte是指发生page fault时的PTE */
if (!pte_present(vmf->orig_pte))return do_swap_page(vmf);
发生page fault时，如果目标页面驻留在外部存储器，那么需要开销较大的I/O操作，这种page fault被称为"major"的。而如果目标页面就在内存中（比如swap cache），只是缺少一个对该页面的引用而已，这种page fault不需要重新分配内存页面，代价较小，因此被称为"minor"的。
还是那个图书馆借书的例子，前台相当于内存，书库相当于磁盘，从前台直接取走就是"minor page fault"，比如书到期了你还没有看完，可以在前台办完还书手续后马上再借（前提是这本书没有被其他读者预约），付出的代价就是多一次借书手续而已。
而如果你还了两个月再去借这本书，书已经被管理员上架了，你就需要自己去书架上按照类别寻找这本书，花费的时间自然较多，这就是"major page fault"。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/66046257
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major fault与minor fault：
当我们进行性能分析时，某进程page faults发生的次数也是我们常常要观测的一个指标。但不论是perf、top再或者其他的工具关于page fault发生的次数的输出都会区分为major fault或minor fault两种，它们同为缺页异常，有什么不同呢？
major fault：
- user space address触发缺页异常时，若被访问的地址映射的物理页已经被swap到磁盘空间，需要从磁盘中将页面换入。
- user space address触发缺页异常时，若被访问的地址空间是被mmap映射到磁盘文件的话且page cache中还未缓存文件内容，需要通过磁盘IO将内容读入page cache。
minor fault：
- 当user space address触发缺页异常时，kernel可直接从buddy system中分配出内存用来满足该缺页异常即minor page fault
简单来说，major fault和minor fault的区别就是是否会触发读写磁盘的动作。
https://zhuanlan.zhihu.com/p/195580742?utm_source=wechat_timeline
作者：Yann Xu
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中断异常的调用
linux kernel的异常向量表介绍
1、linux kernel - arch64的异常向量表-(irq,fiq,svc…)
armv8-arch64架构下，linux kernel的异常量表，再entry.S中:
/** Exception vectors.*/.align 11
ENTRY(vectors)kernel_ventry 1, sync_invalid // Synchronous EL1tkernel_ventry 1, irq_invalid // IRQ EL1tkernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EL1tkernel_ventry 1, error_invalid // Error EL1tkernel_ventry 1, sync // Synchronous EL1hkernel_ventry 1, irq // IRQ EL1hkernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EL1hkernel_ventry 1, error_invalid // Error EL1hkernel_ventry 0, sync // Synchronous 64-bit EL0kernel_ventry 0, irq // IRQ 64-bit EL0kernel_ventry 0, fiq_invalid // FIQ 64-bit EL0kernel_ventry 0, error_invalid // Error 64-bit EL0#ifdef CONFIG_COMPATkernel_ventry 0, sync_compat, 32 // Synchronous 32-bit EL0kernel_ventry 0, irq_compat, 32 // IRQ 32-bit EL0kernel_ventry 0, fiq_invalid_compat, 32 // FIQ 32-bit EL0kernel_ventry 0, error_invalid_compat, 32 // Error 32-bit EL0
#elsekernel_ventry 0, sync_invalid, 32 // Synchronous 32-bit EL0kernel_ventry 0, irq_invalid, 32 // IRQ 32-bit EL0kernel_ventry 0, fiq_invalid, 32 // FIQ 32-bit EL0kernel_ventry 0, error_invalid, 32 // Error 32-bit EL0
#endif
END(vectors)
我们这里讲解如下四行:
kernel_ventry 1, irq // IRQ EL1h
kernel_ventry 0, irq // IRQ 64-bit EL0
kernel_ventry 1, sync // Synchronous EL1h
kernel_ventry 0, sync // Synchronous 64-bit EL0
kernel_ventry是宏，翻译后的函数名分别是：
el1_irq
el0_riq
el1_sync
el0_sync
对应的函数入口我们就找到了，也就是说，当触发irq异常、或svc异常时会跳转到这几个函数中。
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Linux中断处理: 脉络分析
https://zhuanlan.zhihu.com/p/185851980?utm_source=wechat_session
概述：
中断在Linux系统中有着举足轻重的地位，本文在这里梳理一下中断从发生到处理再到退出的流程脉络。文章基于arm64的linux5.0的内核代码。
关于中断栈：
ARM64的linux内核在2015年之前中断没有自己独立的栈，都是借用线程的内核栈。公用一个栈的情况下，为了防止内核栈的溢出，内核栈只能强制使用16kB的，不能使用8kB的，这样就存在一个问题，当系统有大量线程的时候，16kB的内核栈对系统内存会是一个很大的浪费。 于是后来社区人员为ARM64添加了中断栈的feature，用来保存中断的上下文。
- 中断栈的创建：内核启动时中会去为每个cpu创建一个per cpu的中断栈：start_kernel->init_IRQ->init_irq_stacks
- 中断栈的使用：中断发生和退出的时候调用irq_stack_entry和irq_stack_exit来进入和退出中断栈。
中断处理流程：
各种体系架构的处理器都有自己异常处理机制，代码和体系架构息息相关，发生异常后程序会首先跳转至异常向量表。
arm64的异常向量表vectors中设置了各种异常的入口(位于arm/arm64/kernel/entry.S)。目前有效的异常入口有两个同步异常el0_sync,el1_sync和两个异步异常el0_irq,el1_irq，其他异常入口暂时都invalid。中断属于异步异常，所以本文重点关注el0_irq和el1_irq。
通过上图，我们可以看出中断的处理分为三个部分，保护现场，中断处理，恢复现场。其中el0_irq（hy：用户空间）和el1_irq（hy：内核空间）的具体实现略有不同，但处理流程大致是相同的。 接下来我们以el0_irq为例对上面三个步骤进行梳理。
- 保存现场
异常向量表如下，其中kernel_ventry是个宏定义，会根据后面的参数将系统引入对应的异常处理函数中。本文的背景是el0下发生的中断，故进入el0_irq。(同理，cpu运行在el1等级时，系统会进入el1_irq)
ENTRY(vectors)kernel_ventry 1, sync_invalid // Synchronous EL1t kernel_ventry 1, irq_invalid // IRQ EL1tkernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EL1tkernel_ventry 1, error_invalid // Error EL1tkernel_ventry 1, sync // Synchronous EL1h //el1下的同步异常，例如指令执行异常、缺页中断等。kernel_ventry 1, irq // IRQ EL1h //el1下的异步异常，硬件中断。 1代表异常等级kernel_ventry 1, fiq_invalid // FIQ EyL1h kernel_ventry 1, error // Error EL1hkernel_ventry 0, sync // Synchronous 64-bit EL0 //el0下的同步异常，例如指令执行异常、缺页中断（跳转地址或者取地址）、系统调用等。 kernel_ventry 0, irq // IRQ 64-bit EL0 //el0下的异步异常，硬件中断。0代表异常等级kernel_ventry 0, fiq_invalid // FIQ 64-bit EL0kernel_ventry 0, error // Error 64-bit EL0......
END(vectors)kernel_entry 0中是保存现场(被中断进程的上下文)的行为，这里具体指保存硬件上下文，即寄存器数据。通过stp指令依次将寄存器压栈。
el0_sync:kernel_entry 0 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!mrs x25, esr_el1 // read the syndrome registerlsr x24, x25, #ESR_ELx_EC_SHIFT // exception classcmp x24, #ESR_ELx_EC_SVC64 // SVC in 64-bit stateb.eq el0_svccmp x24, #ESR_ELx_EC_DABT_LOW // data abort in EL0b.eq el0_dacmp x24, #ESR_ELx_EC_IABT_LOW // instruction abort in EL0b.eq el0_iacmp x24, #ESR_ELx_EC_FP_ASIMD // FP/ASIMD accessb.eq el0_fpsimd_acccmp x24, #ESR_ELx_EC_SVE // SVE accessb.eq el0_sve_acccmp x24, #ESR_ELx_EC_FP_EXC64 // FP/ASIMD exceptionb.eq el0_fpsimd_exccmp x24, #ESR_ELx_EC_SYS64 // configurable trapccmp x24, #ESR_ELx_EC_WFx, #4, neb.eq el0_syscmp x24, #ESR_ELx_EC_SP_ALIGN // stack alignment exceptionb.eq el0_spcmp x24, #ESR_ELx_EC_PC_ALIGN // pc alignment exceptionb.eq el0_pccmp x24, #ESR_ELx_EC_UNKNOWN // unknown exception in EL0b.eq el0_undefcmp x24, #ESR_ELx_EC_BREAKPT_LOW // debug exception in EL0b.ge el0_dbgb el0_inv .align 6
el0_irq:kernel_entry 0 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
el0_irq_naked:gic_prio_irq_setup pmr=x20, tmp=x0enable_da_f#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGSbl trace_hardirqs_off
#endifct_user_exit
#ifdef CONFIG_HARDEN_BRANCH_PREDICTORtbz x22, #55, 1fbl do_el0_irq_bp_hardening
1:
#endifirq_handler#ifdef CONFIG_TRACE_IRQFLAGSbl trace_hardirqs_on
#endifb ret_to_user
ENDPROC(el0_irq)小贴士：
- 压栈顺序是按照struct pt_regs内部成员的layout顺序来的。
- 仔细查看kernel_entry压栈流程，会发现进程task_struct的起始地址(即thread_info的地址)被放入了sp_el0中。没记错的话是5.0内核引入的改动
.macro kernel_entry, el, regsize = 64.if \regsize == 32mov w0, w0 // zero upper 32 bits of x0.endifstp x0, x1, [sp, #16 * 0]stp x2, x3, [sp, #16 * 1]stp x4, x5, [sp, #16 * 2]stp x6, x7, [sp, #16 * 3]stp x8, x9, [sp, #16 * 4]stp x10, x11, [sp, #16 * 5]stp x12, x13, [sp, #16 * 6]stp x14, x15, [sp, #16 * 7]stp x16, x17, [sp, #16 * 8]stp x18, x19, [sp, #16 * 9]stp x20, x21, [sp, #16 * 10]stp x22, x23, [sp, #16 * 11]stp x24, x25, [sp, #16 * 12]stp x26, x27, [sp, #16 * 13]stp x28, x29, [sp, #16 * 14].if \el == 0 clear_gp_regsmrs x21, sp_el0ldr_this_cpu tsk, __entry_task, x20 // Ensure MDSCR_EL1.SS is clear,ldr x19, [tsk, #TSK_TI_FLAGS] // since we can unmask debugdisable_step_tsk x19, x20 // exceptions when scheduling........其实，当异常发生时（进入vectors前）硬件还会有一坨硬件上的处理。如下图，armv8手册讲到的进入异常前的处理，只截图了一小部分，这里我们关心的是：
- 保存PSTATE到SPSR_ELx寄存器；
- 将PSTATE中的D A I F全部屏蔽;
- 保存PC寄存器的值到ELR_ELx寄存器。
- 处理中断：
保存过现场后，即将跳入中断处理的lable，即irq_handler。这里面主要的三个动作，1.进入中断栈; 2.执行中断控制器的handle_arch_irq; 3.退出中断栈。
.macro irq_handlerldr_l x1, handle_arch_irqmov x0, spirq_stack_entry //进入中断栈blr x1 //执行handle_arch_irqirq_stack_exit //退出中断栈.endm前面我们已经知道了中断栈是在内核初始化时创建的，那中断控制器的handle_arch_irq又是指向哪里呢？其实是在内核启动过程中初始化中断控制器时，设置了具体的handler，这里假设我们使用中断控制器的型号是drivers/irqchip/irq-gic-v3.c，那么就是gic_init_bases->set_handle_irq将handle_arch_irq指针指向gic_handle_irq函数。代码如下：
int __init set_handle_irq(void (*handle_irq)(struct pt_regs *))
{handle_arch_irq = handle_irq;return 0;
}static int __init gic_init_bases(void __iomem *dist_base,struct redist_region *rdist_regs,u32 nr_redist_regions,u64 redist_stride,struct fwnode_handle *handle)
{set_handle_irq(gic_handle_irq);
}中断最终会通过gic_handle_irq进入handle_domain_irq (中断号小于16的是核间中断，不走这里)，然后通过判断中断号去执行对应的中断处理程序。深入gic_handle_irq，其调用关系gic_handle_irq-->handle_domain_irq-->__handle_domain_irq
__handle_domain_irq即是中断处理的核心函数，其中主要包含三个关键部分:
- irq_enter()
- generic_handle_irq(irq)
- irq_exit()
int __handle_domain_irq(struct irq_domain *domain, unsigned int hwirq,bool lookup, struct pt_regs *regs)
{//将保存的pt_regs写入对应cup的irq栈，并返回老的pt，猜想可能和中断嵌套有关。struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs); unsigned int irq = hwirq;int ret = 0;irq_enter();generic_handle_irq(irq);irq_exit();set_irq_regs(old_regs);return ret;
}其中generic_handle_irq(irq)函数通过中断号找到全局中断描述符数组irq_desc[NR_IRQS]中的一项，然后执行该irq号注册的action。
接下来，我们看下irq_enter()与irq_exit()，这两个接口代表着中断上下文的进入和退出。irq_enter()通过__irq_enter()会为preempt_count中的HARDIRQ_OFFSET域加1，表明当前已进入硬件中断上下文。同理irq_exit()退出硬件中断上下文时会对其减1，但除了对preempt_count抢占计数的操作，这里还会去判断是否有pending的软中断，有的话调用invoke_softirq()处理软中断，代码及注释如下：
void irq_exit(void)
{local_irq_disable();//对应irq_enter中的计时account_irq_exit_time(current); //硬件中断计数减1 preempt_count_sub(HARDIRQ_OFFSET); /*如果不在(软、硬)中断上下文中，并且per cpu变量irq_stat[cpu].__softirq_pending有被置位，则处理软中断。提醒：raise_softirq()函数就是来置位变量irq_stat[cpu].__softirq_pending的。*/if (!in_interrupt() && local_softirq_pending()) //依次处理pending状态的软中断。中断下半部tasklet就是在这里被执行invoke_softirq(); tick_irq_exit();rcu_irq_exit();
}其中关于软中断的部分，后面会单独写一篇文章。
这里我们提一下本地中断的开启与关闭，当中断上来时，为了防止中断的嵌套，硬件会自动关闭本地中断，那本地中断什么时候打开呢？分两种情况：
- 退出中断上下文时若有待处理的软中断，在执行软中断前__do_softirq->local_irq_enable会打开本地中断，即软中可以被硬件中断的打断。
- 没有要处理的软中断，那么在中断完全退出时，会恢复被中断进程的寄存器上下文，系统状态寄存器一但被恢复，本地中断自然也就开了。(当然情况1也包括情况2)
- 恢复现场
恢复现场，主要是通过ret_to_user函数(el1的中断不走这里)。处理相对简单，主要分三步：1.屏蔽PSTATE中的D A I F；2.检查在退出中断前有没有需要处理事情，如调度、信号处理等。3.将之前压栈的pt_regs弹出，恢复现场。
ret_to_user:disable_daif //D A I F分别为PSTAT中的四个异常屏蔽标志位，此处屏蔽这4中异常。ldr x1, [tsk, #TSK_TI_FLAGS] //获取thread_info中的flags变量的值 and x2, x1, #_TIF_WORK_MASK //_TIF_WORK_MASK是一些列flags的集合，其中包括NEED_RESCHED|SIGPENDING|NOTIFY_RESUME等值 cbnz x2, work_pending //判断并跳转。此处判断若有_TIF_WORK_MASK的中任何flag都去执行work_pending
finish_ret_to_user:enable_step_tsk x1, x2kernel_exit 0 //恢复pt_regs中的寄存器上下文
ENDPROC(ret_to_user)小贴士 : D A I F分别代表什么？
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Linux内存管理之page fault处理
背景
Read the fucking source code!--By 鲁迅A picture is worth a thousand words.--By 高尔基
说明：
- Kernel版本：4.14
- ARM64处理器，Contex-A53，双核
- 使用工具：Source Insight 3.5， Visio
1. 概述
上篇文章分析到malloc/mmap函数中，内核实现只是在进程的地址空间建立好了vma区域，并没有实际的虚拟地址到物理地址的映射操作。这部分就是在Page Fault异常错误处理中实现的。
Linux内核中的Page Fault异常处理很复杂，涉及的细节也很多，malloc/mmap的物理内存映射只是它的一个子集功能，下图大概涵盖了出现Page Fault的情况：
下边就开始来啃啃硬骨头吧。
2. Arm64处理
Page Fault的异常处理，依赖于体系结构，因此有必要来介绍一下Arm64的处理。
代码主要参考：arch/arm64/kernel/entry.S。
Arm64在取指令或者访问数据时，需要把虚拟地址转换成物理地址，这个过程需要进行几种检查，在不满足的情况下都能造成异常：
- 地址的合法性，比如以39有效位地址为例，内核地址的高25位为全1，用户进程地址的高25位为全0；
- 地址的权限检查，这里边的权限位都位于页表条目中；
从上图中可以看到，最后都会调到do_mem_abort函数，这个函数比较简单，直接看代码，位于arch/arm64/mm/fault.c：
/** Dispatch a data abort to the relevant handler.*/
asmlinkage void __exception do_mem_abort(unsigned long addr, unsigned int esr,struct pt_regs *regs)
{const struct fault_info *inf = esr_to_fault_info(esr);struct siginfo info;if (!inf->fn(addr, esr, regs))return;pr_alert("Unhandled fault: %s (0x%08x) at 0x%016lx\n",inf->name, esr, addr);mem_abort_decode(esr);info.si_signo = inf->sig;info.si_errno = 0;info.si_code = inf->code;info.si_addr = (void __user *)addr;arm64_notify_die("", regs, &info, esr);
}
该函数中关键的处理：根据传进来的esr获取fault_info信息，从而去调用函数。struct fault_info用于错误状态下对应的处理方法，而内核中也定义了全局结构fault_info，存放了所有的情况。
主要的错误状态和处理函数对应如下：
static const struct fault_info fault_info[] = {{ do_bad, SIGBUS, 0, "ttbr address size fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 1 address size fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 2 address size fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 3 address size fault" },{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 0 translation fault" },{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 1 translation fault" },{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 2 translation fault" },{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 3 translation fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 8" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 1 access flag fault" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 2 access flag fault" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 3 access flag fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 12" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 1 permission fault" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 2 permission fault" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 3 permission fault" },...
};
从代码中可以看出：
- 出现0/1/2/3级页表转换错误时，会调用
do_translation_fault，实际中do_translation_fault最终也会调用到do_page_fault； - 出现1/2/3级页表访问权限的时候，会调用
do_page_fault； - 其他的错误则调用
do_bad，其中未列出来的部分还包括do_sea等操作函数；
do_translation_fault
do_page_fault
do_page_fault函数为页错误异常处理的核心函数，与体系结构相关，上图中的handle_mm_fault函数为通用函数，也就是不管哪种处理器结构，最终都会调用到该函数。
3. handle_mm_fault
handle_mm_fault用于处理用户空间的页错误异常：
- 进程在用户模式下访问用户虚拟地址，触发页错误异常；
- 进程在内核模式下访问用户虚拟地址，触发页错误异常；
从do_page_fault函数的流程图中也能看出来，当触发异常的虚拟地址属于某个vma，并且拥有触发页错误异常的权限时，会调用到handle_mm_fault函数，而handle_mm_fault函数的主要逻辑是通过__handle_mm_fault来实现的。
流程如下图：
3.1 do_fault
do_fault函数用于处理文件页异常，包括以下三种情况：
- 读文件页错误；
- 写私有文件页错误；
- 写共享文件页错误；
3.2 do_anonymous_page
匿名页的缺页异常处理调用本函数，在以下情况下会触发：
- malloc/mmap分配了进程地址空间区域，但是没有进行映射处理，在首次访问时触发；
- 用户栈不够的情况下，进行栈区的扩大处理；
3.3 do_swap_page
如果访问Swap页面出错（页面不在内存中），则从Swap cache或Swap文件中读取该页面。
由于在4.14内核版本中，do_swap_page调用的很多函数都是空函数，无法进一步的了解，大体的流程如下图：
3.4 do_wp_page
do_wp_page函数用于处理写时复制（copy on write），会在以下两种情况处理：
- 创建子进程时，父子进程会以只读方式共享私有的匿名页和文件页，当试图写的时候，触发页错误异常，从而复制物理页，并创建映射；
- 进程创建私有文件映射，读访问后触发异常，将文件页读入到
page cache中，并以只读模式创建映射，之后发生写访问后，触发COW；
关键的复制工作是由wp_page_copy完成的：
https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/12116570.html
------------------------------------------------------------------------------------------------
Oops打印的调用
Linux内存管理 (23)一个内存Oops解析
专题：Linux内存管理专题
关键词：DataAbort、fsr、pte、backtrace、stack。
在内存相关实际应用中，内存异常访问是一种常见的问题。
本文结合异常T32栈回溯、Oops打印以及代码，分析打印log，加深对Oops的理解，有助于快速定位问题解决问题。
1. 不同类型异常处理
当内存访问异常时，触发__dabt_svc异常向量处理，进入do_DataAbort进行处理。
从_dabt_svc到do_DataAbort流程，可以参考do_DataAbort。
从do_DataAbort开始，fsr_fs()根据fsr找到fsr_info中的处理函数。
asmlinkage void __exception
do_DataAbort(unsigned long addr, unsigned int fsr, struct pt_regs *regs)
{const struct fsr_info *inf = fsr_info + fsr_fs(fsr);struct siginfo info;if (!inf->fn(addr, fsr & ~FSR_LNX_PF, regs))------------------这里根据fsr从fsr_info中找打对应的操作函数。return;
...
}static inline int fsr_fs(unsigned int fsr)
{return (fsr & FSR_FS3_0) | (fsr & FSR_FS4) >> 6;
}fsr_info列出了全部的错误类型，主要包括四种类型：section translation fault、page translation fault、section permission fault、page permission fault。
2. Section Translation Fault
2.1 Section Translation Fault栈信息
下面是一个Section Translation Fault错误实例的T32栈：
fsr=0x805，即100000000101，所以经过fsr_fs()处理返回值为101。
所以inf->fn即为do_translation_fault。
static struct fsr_info fsr_info[] = {
...{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "section translation fault" },{ do_bad, SIGBUS, 0, "external abort on linefetch" },{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "page translation fault" },
...
}可以看出此错误的栈回溯，do_DataAbort根据异常地址、fsr、pt_regs，来判断异常发生在内核还是用户空间，当前状态是用户模式还是非用户模式，fsr用于确定错误处理函数。
__dabt_svc->do_DataAbort->do_translation_fault->do_bad_area->__do_kernel_fault->die2.2 入口函数do_translation_fault
Section Translation Fault类型的错误处理函数是do_translation_fault。
static int __kprobes
do_translation_fault(unsigned long addr, unsigned int fsr,struct pt_regs *regs)
{unsigned int index;pgd_t *pgd, *pgd_k;pud_t *pud, *pud_k;pmd_t *pmd, *pmd_k;if (addr < TASK_SIZE)-------------------------------------TASK_SIZE是用户空间地址的顶部，所以do_page_fault是用户空间处理函数。return do_page_fault(addr, fsr, regs);if (user_mode(regs))--------------------------------------至此的地址都是内核空间，如果regs显式为用户空间。说明两者冲突，进入bad_area。goto bad_area;index = pgd_index(addr);pgd = cpu_get_pgd() + index;pgd_k = init_mm.pgd + index;if (pgd_none(*pgd_k))-------------------------------------pgd_none()返回0，所以不会进入bad_area。goto bad_area;if (!pgd_present(*pgd))set_pgd(pgd, *pgd_k);pud = pud_offset(pgd, addr);pud_k = pud_offset(pgd_k, addr);if (pud_none(*pud_k))-------------------------------------pud_none()同样返回0，不会进入bad_area。goto bad_area;if (!pud_present(*pud))set_pud(pud, *pud_k);pmd = pmd_offset(pud, addr);pmd_k = pmd_offset(pud_k, addr);#ifdef CONFIG_ARM_LPAE/** Only one hardware entry per PMD with LPAE.*/index = 0;
#else/** On ARM one Linux PGD entry contains two hardware entries (see page* tables layout in pgtable.h). We normally guarantee that we always* fill both L1 entries. But create_mapping() doesn't follow the rule.* It can create inidividual L1 entries, so here we have to call* pmd_none() check for the entry really corresponded to address, not* for the first of pair.*/index = (addr >> SECTION_SHIFT) & 1;
#endifif (pmd_none(pmd_k[index]))------------------------------如果此时pmd_k[index]为0，则为异常进入bad_area。goto bad_area;copy_pmd(pmd, pmd_k);return 0;bad_area:do_bad_area(addr, fsr, regs);return 0;
}如果确实是异常，进入do_bad_area()进行处理。分为user_mode和非user_mode两种模式分别进行处理。
user_mode处理较简单，发送SIGSEGV信号即可。
void do_bad_area(unsigned long addr, unsigned int fsr, struct pt_regs *regs)
{struct task_struct *tsk = current;struct mm_struct *mm = tsk->active_mm;/** If we are in kernel mode at this point, we* have no context to handle this fault with.*/if (user_mode(regs))__do_user_fault(tsk, addr, fsr, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, regs);else__do_kernel_fault(mm, addr, fsr, regs);
}其它模式交给__do_kernel_fault进行处理，调用流程和打印结果如下。
2.3 内核空间Section Translation Fault处理
__do_kernel_fault的主要工作是打印pte、pt_regs、栈等信息，帮助发现问题根源，核心函数是__die。
__do_kernel_fault->show_pte----------------------------------------------------1->die->__die->print_modules-------------------------------------------2->__show_regs---------------------------------------------3->dump_mem------------------------------------------------4->dump_backtrace------------------------------------------5->dump_instr----------------------------------------------6->panic-----------------------------------------------------7下面是打印结果，结合代码和打印信息进行分析如下：
<1>[153780.197326] Unable to handle kernel paging request at virtual address d8660000------0. 错误概述
<1>[153780.204406] pgd = c287c000---------------------------------------------------------------------------1. show_pte，当前pgd地址0xc287c000
<1>[153780.207183] [d8660000] *pgd=00000000-----------------------------------------------------------异常地址0xd8660000和其对应的pgd表项内容0x00000000，问题就出在这里。
<0>[153780.210845] Internal error: Oops: 805 [#1] ARM--------------------------------- ----------------0. die
<4>[153780.215362] Modules linked in:------------------------------------------------------------------------2. print_modules
<4>[153780.218475] CPU: 0 Not tainted (3.4.110 #2)---------------------------------------------------3. __show_regs
<4>[153780.223083] PC is at __mutex_lock_slowpath+0x34/0xb8
<4>[153780.228118] LR is at dpm_prepare+0x58/0x1d0
<4>[153780.232360] pc : [<c04ad5bc>] lr : [<c01a27a8>] psr: 80000013
<4>[153780.232391] sp : c2d01e58 ip : 00000000 fp : c2cc6800
<4>[153780.243988] r10: c0690bfc r9 : c0690c04 r8 : c3682c68
<4>[153780.249298] r7 : c3682c64 r6 : c2c2c000 r5 : c3682c30 r4 : c3682c64
<4>[153780.255889] r3 : d8660000 r2 : c2d01e5c r1 : 00000000 r0 : c3682c64
<4>[153780.262512] Flags: Nzcv IRQs on FIQs on Mode SVC_32 ISA ARM Segment kernel---Nzcv大写表示置位；IRQ/FIQ都打开；处于SVC_32模式；架构是ARM；处于内核中。
<4>[153780.269866] Control: 10c5383d Table: 2287c059 DAC: 00000015
<4>[153780.275695] -----------------------------------------------------------------------------------------------------下面大段show_extra_register_data打印pt_regs前后128字节十六进制值
<4>[153780.275695] PC: 0xc04ad53c:
<4>[153780.280120] d53c 1afffffb e3510001 0afffff6 eaffffb9 e92d4008 e5b03004 e1530000 0a000001
<4>[153780.288360] d55c e5930008 ebee2a57 e8bd8008 e3a03001 e1901f9f e180cf93 e33c0000 1afffffb
<4>[153780.296630] d57c e3510000 012fff1e eafffff0 e92d41f0 e24dd010 e1a0200d e1a04000 e3c23d7f
<4>[153780.304870] d59c e3c3303f e593600c e5903008 e28d2004 e2808004 e5802008 e58d8004 e58d3008
<4>[153780.313110] d5bc e5832000 e58d600c e3e05000 e1903f9f e1802f95 e3320000 1afffffb e3530001
<4>[153780.321350] d5dc 0a00000e e1903f9f e1802f95 e3320000 1afffffb e3530001 0a000008 e3a07002
<4>[153780.329620] d5fc e5867000 eb000433 e1943f9f e1842f95 e3320000 1afffffb e3530001 1afffff7
<4>[153780.337860] d61c e99d000c e5823004 e5832000 e5943004 e1580003 03a03000 05843000 e28dd010
<4>[153780.346099]
<4>[153780.346130] LR: 0xc01a2728:
<4>[153780.350524] 2728 e5812090 e587308c eaffffd2 c0690bd8 c06e4e9c c067f0e8 c0690bf4 c01a1d0c
<4>[153780.358795] 2748 c059e114 c06e4ea0 e92d4ff8 e59f81b8 e1a00008 e288a024 eb0c2bb6 e288902c
<4>[153780.367034] 2768 ea000003 e37b000b 1a00005e e1a00005 ebffda19 e5984024 e154000a 0a000054
<4>[153780.375274] 2788 e2445054 e2447020 e1a00005 ebffda09 e59f0174 eb0c2b71 e1a00007 eb0c2ba5
<4>[153780.383544] 27a8 e5543004 e2131001 0a000002 e5941014 e2911000 13a01001 e59420a4 e5d43018
<4>[153780.391784] 27c8 e3520000 e7c03011 e5c43018 0a000038 e5926000 e3560000 0a000027 e1a00005
<4>[153780.400024] 27e8 e12fff36 e1a0b000 e1a01006 e1a0200b e59f0118 ebfff983 e1a00007 eb0c2b57
<4>[153780.408264] 2808 e59f0104 eb0c2b8b e35b0000 1affffd4 e5943000 e5542004 e1540003 e3822004
<4>[153780.416534]
<4>[153780.416534] SP: 0xc2d01dd8:
<4>[153780.420959] 1dd8 c06be940 c067ccb8 0000000a c2d01df8 c00190b0 c00193f4 60000013 0000000a
<4>[153780.429199] 1df8 c04ad5bc 80000013 ffffffff c2d01e44 c3682c68 c0008cd8 c3682c64 00000000
<4>[153780.437438] 1e18 c2d01e5c d8660000 c3682c64 c3682c30 c2c2c000 c3682c64 c3682c68 c0690c04
<4>[153780.445709] 1e38 c0690bfc c2cc6800 00000000 c2d01e58 c01a27a8 c04ad5bc 80000013 ffffffff
<4>[153780.453948] 1e58 00000010 c3682c68 d8660000 c07b2f78 c3682c84 c3682c30 00000000 c3682c64
<4>[153780.462188] 1e78 c0690bd8 c01a27a8 00000000 00000002 00000000 00000003 000d6508 00000000
<4>[153780.470458] 1e98 c06d01c8 c2d00000 c2cc6800 c01a292c c06d0748 c004092c 00000003 c04b4340
<4>[153780.478698] 1eb8 00000000 000d6508 00000000 c0040d94 c06d0834 00000000 c06e6f4c c06e8f68
<4>[153780.486938]
<4>[153780.486938] FP: 0xc2cc6780:
<4>[153780.491363] 6780 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
<4>[153780.499633] 67a0 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
<4>[153780.507873] 67c0 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
<4>[153780.516113] 67e0 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
<4>[153780.524353] 6800 c06d01c8 c2cba600 00000000 ffffffff 00000001 00000000 00000000 00000000
<4>[153780.532623] 6820 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
<4>[153780.540863] 6840 00000000 00000000 00000000 00000001 00000001 c2cc6854 c2cc6854 c2cc6800
<4>[153780.549102] 6860 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
<4>[153780.557373]
<4>[153780.557373] R0: 0xc3682be4:
<4>[153780.561798] 2be4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.570037] 2c04 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 00000000 00000000
<4>[153780.578277] 2c24 00000000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.586547] 2c44 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660001 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.594787] 2c64 ffffffff d8660000 c2d01e5c d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.603027] 2c84 d8660000 c0690bfc d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.611297] 2ca4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.619537] 2cc4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.627777]
<4>[153780.627777] R2: 0xc2d01ddc:
<4>[153780.632202] 1ddc c067ccb8 0000000a c2d01df8 c00190b0 c00193f4 60000013 0000000a c04ad5bc
<4>[153780.640472] 1dfc 80000013 ffffffff c2d01e44 c3682c68 c0008cd8 c3682c64 00000000 c2d01e5c
<4>[153780.648712] 1e1c d8660000 c3682c64 c3682c30 c2c2c000 c3682c64 c3682c68 c0690c04 c0690bfc
<4>[153780.656951] 1e3c c2cc6800 00000000 c2d01e58 c01a27a8 c04ad5bc 80000013 ffffffff 00000010
<4>[153780.665191] 1e5c c3682c68 d8660000 c07b2f78 c3682c84 c3682c30 00000000 c3682c64 c0690bd8
<4>[153780.673461] 1e7c c01a27a8 00000000 00000002 00000000 00000003 000d6508 00000000 c06d01c8
<4>[153780.681701] 1e9c c2d00000 c2cc6800 c01a292c c06d0748 c004092c 00000003 c04b4340 00000000
<4>[153780.689941] 1ebc 000d6508 00000000 c0040d94 c06d0834 00000000 c06e6f4c c06e8f68 c06e6f4c
<4>[153780.698211]
<4>[153780.698211] R3: 0xd865ff80:
<4>[153780.702636] ff80 ******** ******** ******** ******** ******** ******** ******** ********
<4>[153780.710876] ffa0 ******** ******** ******** ******** ******** ******** ******** ********
<4>[153780.719116] ffc0 ******** ******** ******** ******** ******** ******** ******** ********
<4>[153780.727386] ffe0 ******** ******** ******** ******** ******** ******** ******** ********
<4>[153780.735626] 0000 ******** ******** ******** ******** ******** ******** ******** ********
<4>[153780.743865] 0020 ******** ******** ******** ******** ******** ******** ******** ********
<4>[153780.752136] 0040 ******** ******** ******** ******** ******** ******** ******** ********
<4>[153780.760375] 0060 ******** ******** ******** ******** ******** ******** ******** ********
<4>[153780.768615]
<4>[153780.768615] R4: 0xc3682be4:
<4>[153780.773040] 2be4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.781280] 2c04 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 00000000 00000000
<4>[153780.789550] 2c24 00000000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.797790] 2c44 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660001 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.806030] 2c64 ffffffff d8660000 c2d01e5c d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.814300] 2c84 d8660000 c0690bfc d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.822540] 2ca4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.830780] 2cc4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.839050]
<4>[153780.839050] R5: 0xc3682bb0:
<4>[153780.843475] 2bb0 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.851715] 2bd0 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.859954] 2bf0 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.868225] 2c10 d8660000 d8660000 d8660000 00000000 00000000 00000000 d8660000 d8660000
<4>[153780.876464] 2c30 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.884704] 2c50 d8660000 d8660001 d8660000 d8660000 d8660000 ffffffff d8660000 c2d01e5c
<4>[153780.892944] 2c70 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 c0690bfc d8660000
<4>[153780.901214] 2c90 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.909454]
<4>[153780.909454] R6: 0xc2c2bf80:
<4>[153780.913879] bf80 f0000188 000181a4 00000000 00000000 00000000 00000000 c04bb340 c06aafbc
<4>[153780.922119] bfa0 c2c2bf00 c2c2b380 00000000 c3708000 00000000 00000000 00000001 00000000
<4>[153780.930389] bfc0 00000000 c2c2bfc4 c2c2bfc4 66756208 666e695f 72a5006f 7ae75aad 5aa55aa5
<4>[153780.938629] bfe0 5aa55ac5 52a75aa0 4a255aa5 5aa45aa5 5aa55aa5 1aa54aa5 08a55ae5 42a552ad
<4>[153780.946868] c000 00000000 c2d00000 00000002 04208040 00000000 00000001 00000064 00000064
<4>[153780.955139] c020 00000064 00000000 c04b4078 00000000 00015ab9 0000bd04 00000001 00000000
<4>[153780.963378] c040 00000000 c2c2c044 c2c2c044 00000001 be05bcc5 00008bdc 02e98615 00000000
<4>[153780.971618] c060 adc99ea7 00000105 01f7d876 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
<4>[153780.979888]
<4>[153780.979888] R7: 0xc3682be4:
<4>[153780.984313] 2be4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153780.992553] 2c04 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 00000000 00000000
<4>[153781.000793] 2c24 00000000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.009063] 2c44 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660001 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.017303] 2c64 ffffffff d8660000 c2d01e5c d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.025543] 2c84 d8660000 c0690bfc d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.033782] 2ca4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.042053] 2cc4 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.050292]
<4>[153781.050292] R8: 0xc3682be8:
<4>[153781.054718] 2be8 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.062957] 2c08 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 00000000 00000000 00000000
<4>[153781.071228] 2c28 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.079467] 2c48 d8660000 d8660000 d8660000 d8660001 d8660000 d8660000 d8660000 ffffffff
<4>[153781.087707] 2c68 d8660000 c2d01e5c d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.095977] 2c88 c0690bfc d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.104217] 2ca8 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.112457] 2cc8 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000 d8660000
<4>[153781.120727]
<4>[153781.120727] R9: 0xc0690b84:
<4>[153781.125152] 0b84 c019fcac 00000000 c05b339c 00000124 c019fc00 00000000 c05b33b0 00000124
<4>[153781.133392] 0ba4 c019fb54 00000000 c05b33d0 000001a4 c019f8b0 c019fb00 00000000 c0690bc0
<4>[153781.141632] 0bc4 c0690bc0 00000000 00000001 c0690bd0 c0690bd0 00000001 c0690bdc c0690bdc
<4>[153781.149902] 0be4 c0690be4 c0690be4 c0690bec c0690bec c0690bf4 c0690bf4 c3682c84 c283fb04
<4>[153781.158142] 0c04 c06907c4 c36b4454 c2ae03d4 c3411e44 c0690c14 c0690c14 00000000 c0690c20
<4>[153781.166381] 0c24 c0690c20 00000005 00000100 c0690c30 c0690c30 c01a5354 c05b31c8 00000000
<4>[153781.174621] 0c44 c0690cb8 00000000 00000000 c3413ac0 c01a5b3c 00000000 00000000 c01a5ae4
<4>[153781.182891] 0c64 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 c348bf00 0000003c c05b5d00
<4>[153781.191131]
<4>[153781.191131] R10: 0xc0690b7c:
<4>[153781.195648] 0b7c c05b3388 00000124 c019fcac 00000000 c05b339c 00000124 c019fc00 00000000
<4>[153781.203887] 0b9c c05b33b0 00000124 c019fb54 00000000 c05b33d0 000001a4 c019f8b0 c019fb00
<4>[153781.212158] 0bbc 00000000 c0690bc0 c0690bc0 00000000 00000001 c0690bd0 c0690bd0 00000001
<4>[153781.220397] 0bdc c0690bdc c0690bdc c0690be4 c0690be4 c0690bec c0690bec c0690bf4 c0690bf4
<4>[153781.228637] 0bfc c3682c84 c283fb04 c06907c4 c36b4454 c2ae03d4 c3411e44 c0690c14 c0690c14
<4>[153781.236877] 0c1c 00000000 c0690c20 c0690c20 00000005 00000100 c0690c30 c0690c30 c01a5354
<4>[153781.245147] 0c3c c05b31c8 00000000 c0690cb8 00000000 00000000 c3413ac0 c01a5b3c 00000000
<4>[153781.253387] 0c5c 00000000 c01a5ae4 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 c348bf00
<0>[153781.261627] Process suspend (pid: 755, stack limit = 0xc2d00268)--------------线程名是suspend，pid是755，栈的最底部是0xc2d00268，也即sp的指针不能小于此值。
<0>[153781.267730] Stack: (0xc2d01e58 to 0xc2d02000)----------------------------------------------------------------------------------4. dump_mem，有前面可知栈的底部，8K对齐则是栈的顶部。
<0>[153781.272155] 1e40: 00000010 c3682c68--------------------------------------------------从栈的底部开始dump，直到栈的顶部。
<0>[153781.280395] 1e60: d8660000 c07b2f78 c3682c84 c3682c30 00000000 c3682c64 c0690bd8 c01a27a8
<0>[153781.288635] 1e80: 00000000 00000002 00000000 00000003 000d6508 00000000 c06d01c8 c2d00000
<0>[153781.296905] 1ea0: c2cc6800 c01a292c c06d0748 c004092c 00000003 c04b4340 00000000 000d6508
<0>[153781.305145] 1ec0: 00000000 c0040d94 c06d0834 00000000 c06e6f4c c06e8f68 c06e6f4c c0690c1c
<0>[153781.313385] 1ee0: 000d6508 c06e8f68 c06e6f4c c0690c1c 000d6508 c01a5390 c067eaf0 00000000
<0>[153781.321655] 1f00: c2d01f9c c04ae1e0 00000000 c2c2c000 c067eaf0 386f67b6 1432efb3 00000000
<0>[153781.329895] 1f20: c2d01f7c c003a910 895c6980 00000000 7bb36301 00000000 00000000 895c6980
<0>[153781.338134] 1f40: 00000000 c2c2c000 c0690c2c c2cc79c0 00000000 c2cc6800 00000000 c002b7cc
<0>[153781.346405] 1f60: 00000064 c2c2c000 c067eaf0 c2cc79c0 c2cc79d4 c2d00000 c2cc79d4 00000001
<0>[153781.354644] 1f80: c06d01c8 00000002 c2cc6800 c002ba10 c06d01c4 c2cc79c0 c2cba600 c002bb28
<0>[153781.362884] 1fa0: c002ba20 c06d01c4 00000000 c341fefc c2cba600 c002ba20 00000013 00000000
<0>[153781.371124] 1fc0: 00000000 00000000 00000000 c0030144 00000000 00000000 c2cba600 00000000
<0>[153781.379394] 1fe0: c2d01fe0 c2d01fe0 c341fefc c00300c0 c0009a20 c0009a20 00000000 00000000
<4>[153781.387664] [<c04ad5bc>] (__mutex_lock_slowpath+0x34/0xb8) from [<c01a27a8>] (dpm_prepare+0x58/0x1d0)----5. dump_backtrace
<4>[153781.396942] [<c01a27a8>] (dpm_prepare+0x58/0x1d0) from [<c01a292c>] (dpm_suspend_start+0xc/0x60)
<4>[153781.405792] [<c01a292c>] (dpm_suspend_start+0xc/0x60) from [<c004092c>] (suspend_devices_and_enter+0x58/0x258)
<4>[153781.415863] [<c004092c>] (suspend_devices_and_enter+0x58/0x258) from [<c0040d94>] (pm_suspend+0x268/0x2b0)
<4>[153781.425598] [<c0040d94>] (pm_suspend+0x268/0x2b0) from [<c01a5390>] (suspend+0x3c/0xfc)--------------------dump_backtrace_entry负责打印每条信息，从右到左调用关系
<4>[153781.433654] [<c01a5390>] (suspend+0x3c/0xfc) from [<c002b7cc>] (process_one_work+0x138/0x358)
<4>[153781.442260] [<c002b7cc>] (process_one_work+0x138/0x358) from [<c002ba10>] (process_scheduled_works+0x24/0x34)
<4>[153781.452239] [<c002ba10>] (process_scheduled_works+0x24/0x34) from [<c002bb28>] (rescuer_thread+0x108/0x19c)
<4>[153781.462066] [<c002bb28>] (rescuer_thread+0x108/0x19c) from [<c0030144>] (kthread+0x84/0x90)
<4>[153781.470489] [<c0030144>] (kthread+0x84/0x90) from [<c0009a20>] (kernel_thread_exit+0x0/0x8)
<0>[153781.478881] Code: e2808004 e5802008 e58d8004 e58d3008 (e5832000) --------------------------------------------------6. dump_instr
<4>[153781.485168] ---[ end trace 352bcf684b277880 ]---------------------------------------------------------------------------------------oops_exit打印信息
<0>[153781.489746] Kernel panic - not syncing: Fatal exception---------------------------------------------------------------------------7. panic，
__do_kernel_fault主要打印pte页表内容，然后将工作交给die进行处理。
show_pte对pgd、pud、pmd、pte各项进行了检查。
/** Oops. The kernel tried to access some page that wasn't present.*/
static void
__do_kernel_fault(struct mm_struct *mm, unsigned long addr, unsigned int fsr,struct pt_regs *regs)
{/** Are we prepared to handle this kernel fault?*/if (fixup_exception(regs))return;/** No handler, we'll have to terminate things with extreme prejudice.*/bust_spinlocks(1);pr_alert("Unable to handle kernel %s at virtual address %08lx\n",(addr < PAGE_SIZE) ? "NULL pointer dereference" :"paging request", addr);-------------------------------------------用户空间地址显示"NULL pointer dereference"，内核空间地址显示"paging request"。show_pte(mm, addr);-----------------------------------------------------打印页表项内容die("Oops", regs, fsr);-------------------------------------------------Oops die打印，包括modules、pt_regs、stack、backtrace、mem等信息。bust_spinlocks(0);do_exit(SIGKILL);
}/** This is useful to dump out the page tables associated with* 'addr' in mm 'mm'.*/
void show_pte(struct mm_struct *mm, unsigned long addr)
{pgd_t *pgd;if (!mm)----------------------------------------------------------------如果当前mm为NULL，表示当前进程为内核线程，mm对应init_mm。mm = &init_mm;pr_alert("pgd = %p\n", mm->pgd);----------------------------------------打印pgd地址pgd = pgd_offset(mm, addr);pr_alert("[%08lx] *pgd=%08llx",addr, (long long)pgd_val(*pgd));--------------------------------打印问题地址和其地址对应的pgd值，注意这里的pgd已经根据地址进行了偏移。do {pud_t *pud;pmd_t *pmd;pte_t *pte;if (pgd_none(*pgd))break;if (pgd_bad(*pgd)) {pr_cont("(bad)");break;}pud = pud_offset(pgd, addr);if (PTRS_PER_PUD != 1)pr_cont(", *pud=%08llx", (long long)pud_val(*pud));if (pud_none(*pud))break;if (pud_bad(*pud)) {pr_cont("(bad)");break;}
---------------------------------------------------------------------对于Linux二级页表映射，上面的判断都可以跳过。pmd = pmd_offset(pud, addr);if (PTRS_PER_PMD != 1)pr_cont(", *pmd=%08llx", (long long)pmd_val(*pmd));if (pmd_none(*pmd))------------------------------------------对于Linux二级页表映射，pmd=pud=pgd，所以*pmd=*pgd。因为实例中*pgd=0x0000，所以此处break。break;if (pmd_bad(*pmd)) {-----------------------------------------pmd值第2bit必须清零，#define pmd_bad(pmd) (pmd_val(pmd) & 2)pr_cont("(bad)");break;}/* We must not map this if we have highmem enabled */if (PageHighMem(pfn_to_page(pmd_val(*pmd) >> PAGE_SHIFT)))break;pte = pte_offset_map(pmd, addr);pr_cont(", *pte=%08llx", (long long)pte_val(*pte));
#ifndef CONFIG_ARM_LPAEpr_cont(", *ppte=%08llx",(long long)pte_val(pte[PTE_HWTABLE_PTRS]));
#endifpte_unmap(pte);} while(0);pr_cont("\n");
}die将主要工交给__die()打印信息，然后调用panic()执行halt或重启之类的操作。
void die(const char *str, struct pt_regs *regs, int err)
{struct thread_info *thread = current_thread_info();int ret;enum bug_trap_type bug_type = BUG_TRAP_TYPE_NONE;oops_enter();raw_spin_lock_irq(&die_lock);console_verbose();bust_spinlocks(1);if (!user_mode(regs))bug_type = report_bug(regs->ARM_pc, regs);if (bug_type != BUG_TRAP_TYPE_NONE)str = "Oops - BUG";ret = __die(str, err, thread, regs);if (regs && kexec_should_crash(thread->task))crash_kexec(regs);---------------------------------------加载并运行调试内核bust_spinlocks(0);add_taint(TAINT_DIE);raw_spin_unlock_irq(&die_lock);oops_exit();------------------------------------------------打印"...end trace..."，表示Oops结束，进入panic阶段。if (in_interrupt())panic("Fatal exception in interrupt");if (panic_on_oops)panic("Fatal exception");if (ret != NOTIFY_STOP)do_exit(SIGSEGV);
}__die输出module信息、ARM寄存器、dump栈、回溯栈等信息。
__show_regs将pt_regs的寄存器打印，并将前后128字节dump出来。
dump_mem将stack二进制dump出来。
dump_backtrace回溯栈并打印出对应符号表信息。
static int __die(const char *str, int err, struct pt_regs *regs)
{struct task_struct *tsk = current;static int die_counter;int ret;pr_emerg("Internal error: %s: %x [#%d]" S_PREEMPT S_SMP S_ISA "\n",str, err, ++die_counter);/* trap and error numbers are mostly meaningless on ARM */ret = notify_die(DIE_OOPS, str, regs, err, tsk->thread.trap_no, SIGSEGV);if (ret == NOTIFY_STOP)return 1;print_modules();__show_regs(regs);pr_emerg("Process %.*s (pid: %d, stack limit = 0x%p)\n",TASK_COMM_LEN, tsk->comm, task_pid_nr(tsk), end_of_stack(tsk));-------end_of_stack是栈的底部。if (!user_mode(regs) || in_interrupt()) {dump_mem(KERN_EMERG, "Stack: ", regs->ARM_sp,THREAD_SIZE + (unsigned long)task_stack_page(tsk));---------------dump的范围是当前sp指针到栈的顶部，顶部可以通过task->stack获取，大小固定。sp指向底部。dump_backtrace(regs, tsk);dump_instr(KERN_EMERG, regs);}return 0;
}void print_modules(void)
{struct module *mod;char buf[8];printk(KERN_DEFAULT "Modules linked in:");/* Most callers should already have preempt disabled, but make sure */preempt_disable();list_for_each_entry_rcu(mod, &modules, list) {if (mod->state == MODULE_STATE_UNFORMED)continue;pr_cont(" %s%s", mod->name, module_flags(mod, buf));}preempt_enable();if (last_unloaded_module[0])pr_cont(" [last unloaded: %s]", last_unloaded_module);pr_cont("\n");
}void __show_regs(struct pt_regs *regs)
{unsigned long flags;char buf[64];show_regs_print_info(KERN_DEFAULT);print_symbol("PC is at %s\n", instruction_pointer(regs));----------PC指针指向的函数以及偏移print_symbol("LR is at %s\n", regs->ARM_lr);-----------------------LR指向的函数以及偏移printk("pc : [<%08lx>] lr : [<%08lx>] psr: %08lx\n"----------打印pt_regs各寄存器值。"sp : %08lx ip : %08lx fp : %08lx\n",regs->ARM_pc, regs->ARM_lr, regs->ARM_cpsr,regs->ARM_sp, regs->ARM_ip, regs->ARM_fp);printk("r10: %08lx r9 : %08lx r8 : %08lx\n",regs->ARM_r10, regs->ARM_r9,regs->ARM_r8);printk("r7 : %08lx r6 : %08lx r5 : %08lx r4 : %08lx\n",regs->ARM_r7, regs->ARM_r6,regs->ARM_r5, regs->ARM_r4);printk("r3 : %08lx r2 : %08lx r1 : %08lx r0 : %08lx\n",regs->ARM_r3, regs->ARM_r2,regs->ARM_r1, regs->ARM_r0);flags = regs->ARM_cpsr;------------------------------------------cpsr的NZCV标志位buf[0] = flags & PSR_N_BIT ? 'N' : 'n';buf[1] = flags & PSR_Z_BIT ? 'Z' : 'z';buf[2] = flags & PSR_C_BIT ? 'C' : 'c';buf[3] = flags & PSR_V_BIT ? 'V' : 'v';buf[4] = '\0';#ifndef CONFIG_CPU_V7Mprintk("Flags: %s IRQs o%s FIQs o%s Mode %s ISA %s Segment %s\n",buf, interrupts_enabled(regs) ? "n" : "ff",fast_interrupts_enabled(regs) ? "n" : "ff",processor_modes[processor_mode(regs)],isa_modes[isa_mode(regs)],get_fs() == get_ds() ? "kernel" : "user");
#elseprintk("xPSR: %08lx\n", regs->ARM_cpsr);
#endif#ifdef CONFIG_CPU_CP15{unsigned int ctrl;buf[0] = '\0';
#ifdef CONFIG_CPU_CP15_MMU{unsigned int transbase, dac;asm("mrc p15, 0, %0, c2, c0\n\t""mrc p15, 0, %1, c3, c0\n": "=r" (transbase), "=r" (dac));snprintf(buf, sizeof(buf), " Table: %08x DAC: %08x",transbase, dac);}
#endifasm("mrc p15, 0, %0, c1, c0\n" : "=r" (ctrl));printk("Control: %08x%s\n", ctrl, buf);-----------------------输出MMU相关信息}
#endif
show_extra_register_data(regs, 128);------------------------------打印pt_regs寄存器地址的前后128字节十六进制
}/** Dump out the contents of some memory nicely...*/
static void dump_mem(const char *lvl, const char *str, unsigned long bottom,unsigned long top)
{unsigned long first;mm_segment_t fs;int i;/** We need to switch to kernel mode so that we can use __get_user* to safely read from kernel space. Note that we now dump the* code first, just in case the backtrace kills us.*/fs = get_fs();set_fs(KERNEL_DS);printk("%s%s(0x%08lx to 0x%08lx)\n", lvl, str, bottom, top);for (first = bottom & ~31; first < top; first += 32) {unsigned long p;char str[sizeof(" 12345678") * 8 + 1];memset(str, ' ', sizeof(str));str[sizeof(str) - 1] = '\0';for (p = first, i = 0; i < 8 && p < top; i++, p += 4) {if (p >= bottom && p < top) {unsigned long val;if (__get_user(val, (unsigned long *)p) == 0)sprintf(str + i * 9, " %08lx", val);elsesprintf(str + i * 9, " ????????");}}printk("%s%04lx:%s\n", lvl, first & 0xffff, str);}set_fs(fs);
}static inline void dump_backtrace(struct pt_regs *regs, struct task_struct *tsk)
{unwind_backtrace(regs, tsk);
}void dump_backtrace_entry(unsigned long where, unsigned long from, unsigned long frame)
{
#ifdef CONFIG_KALLSYMS
printk("[<%08lx>] (%pS) from [<%08lx>] (%pS)\n", where, (void *)where, from, (void *)from);
#else
printk("Function entered at [<%08lx>] from [<%08lx>]\n", where, from);
#endif
if (in_exception_text(where))
dump_mem("", "Exception stack", frame + 4, frame + 4 + sizeof(struct pt_regs));
}
static void dump_instr(const char *lvl, struct pt_regs *regs)
{unsigned long addr = instruction_pointer(regs);const int thumb = thumb_mode(regs);const int width = thumb ? 4 : 8;mm_segment_t fs;char str[sizeof("00000000 ") * 5 + 2 + 1], *p = str;int i;/** We need to switch to kernel mode so that we can use __get_user* to safely read from kernel space. Note that we now dump the* code first, just in case the backtrace kills us.*/fs = get_fs();set_fs(KERNEL_DS);for (i = -4; i < 1 + !!thumb; i++) {unsigned int val, bad;if (thumb)bad = __get_user(val, &((u16 *)addr)[i]);elsebad = __get_user(val, &((u32 *)addr)[i]);if (!bad)p += sprintf(p, i == 0 ? "(%0*x) " : "%0*x ",width, val);else {p += sprintf(p, "bad PC value");break;}}printk("%sCode: %s\n", lvl, str);set_fs(fs);
}panic()首先打印一条信息"Kernel panic..."，然后执行一些清理操作。
最后执行panic_blink提示，执行重启操作。
void panic(const char *fmt, ...)
{static DEFINE_SPINLOCK(panic_lock);static char buf[1024];va_list args;long i, i_next = 0;int state = 0;/** Disable local interrupts. This will prevent panic_smp_self_stop* from deadlocking the first cpu that invokes the panic, since* there is nothing to prevent an interrupt handler (that runs* after the panic_lock is acquired) from invoking panic again.*/local_irq_disable();/** It's possible to come here directly from a panic-assertion and* not have preempt disabled. Some functions called from here want* preempt to be disabled. No point enabling it later though...** Only one CPU is allowed to execute the panic code from here. For* multiple parallel invocations of panic, all other CPUs either* stop themself or will wait until they are stopped by the 1st CPU* with smp_send_stop().*/if (!spin_trylock(&panic_lock))panic_smp_self_stop();console_verbose();bust_spinlocks(1);va_start(args, fmt);vsnprintf(buf, sizeof(buf), fmt, args);va_end(args);printk(KERN_EMERG "Kernel panic - not syncing: %s\n",buf);----------------------panic()的最后最后一条消息
#ifdef CONFIG_DEBUG_BUGVERBOSE/** Avoid nested stack-dumping if a panic occurs during oops processing*/if (!test_taint(TAINT_DIE) && oops_in_progress <= 1)dump_stack();
#endif/** If we have crashed and we have a crash kernel loaded let it handle* everything else.* Do we want to call this before we try to display a message?*/crash_kexec(NULL);-------------------------------------------------------------定义CONFIG_KEXEC的情况下，加载调试内核镜像，然后执行。/** Note smp_send_stop is the usual smp shutdown function, which* unfortunately means it may not be hardened to work in a panic* situation.*/smp_send_stop();---------------------------------------------------------------关闭SMP其它核。kmsg_dump(KMSG_DUMP_PANIC);----------------------------------------------------执行dump_list上的dumper。atomic_notifier_call_chain(&panic_notifier_list, 0, buf);----------------------执行panic_notifier_list链表上的notifier。bust_spinlocks(0);if (!panic_blink)panic_blink = no_blink;if (panic_timeout > 0) {-------------------------------------------------------如果panic_timeout不为0情况下，会在若干秒过后重启。/** Delay timeout seconds before rebooting the machine.* We can't use the "normal" timers since we just panicked.*/printk(KERN_EMERG "Rebooting in %d seconds..", panic_timeout);for (i = 0; i < panic_timeout * 1000; i += PANIC_TIMER_STEP) {touch_nmi_watchdog();if (i >= i_next) {i += panic_blink(state ^= 1);i_next = i + 3600 / PANIC_BLINK_SPD;}mdelay(PANIC_TIMER_STEP);}}if (panic_timeout != 0) {/** This will not be a clean reboot, with everything* shutting down. But if there is a chance of* rebooting the system it will be rebooted.*/emergency_restart();--------------------------------------------------------执行重启操作。}
...
}3. Section Permission Fault
4. Page Permission Fault
https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/8672139.html
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Kernel Exception 问题分析
https://www.jianshu.com/p/82d7b4c6bc9a
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