1. 前言

本专题我们开始学习内存管理部分，本文为缺页中断处理相关学习笔记。本文主要参考了《奔跑吧, Linux内核》、ULA、ULK的相关内容。
前面概述部分主要介绍了arm64缺页中断的底层逻辑，本文主要以数据异常的do_page_fault为例来说明缺页的详细处理过程。

2. do_page_fault

do_page_fault(unsigned long addr, unsigned int esr, struct pt_regs *regs)|--struct mm_struct *mm = current->mm;|--初始化vm_flags和mm_flags|  //如果由kprobe处理这个page fault直接返回|--if (kprobe_page_fault(regs, esr))|      return 0;|  //page fault禁用或中断上下文，或内核空间（mm==NULL）直接返回|--if (faulthandler_disabled() || !mm)|      goto no_context;|--设置vm_flags和mm_flags标记|--获取mm->mmap_lock锁|--fault = __do_page_fault(mm, addr, mm_flags, vm_flags, regs)\--根据返回值fault做相应处理

初始化vm_flags为VM_ACCESS_FLAGS，初始化mm_flags为FAULT_FLAG_DEFAULT，vm_flags将用于与addr所在vma的标记进行比较，以确定是否可以访问addr所在的vma
kprobe_page_fault：如果由kprobe处理这个page fault直接返回true
faulthandler_disabled() || !mm：page fault禁用或中断上下文，或内核空间（mm==NULL）直接返回，排除了中断上下文和内核空间

关于task_struct.mm与active_mm的区别可参考：
https://01.org/linuxgraphics/gfx-docs/drm/vm/active_mm.html
http://t.zoukankan.com/linhaostudy-p-9904846.html

设置vm_flags和mm_flags标记：根据是否是用户模式、是否是用户指令异常、是否是数据写入异常，分别设置vm_flags和mm_flags标记
获取mm->mmap_lock锁：检查进程地址空间缺页异常，需先获取锁保护，获取进程的mmap_sem读写信号量，以查询address是否位于当前进程地址空间，通过尝试获取，排除是因为内核bug导致无法获取而引起死锁
__do_page_fault：执行缺页异常处理，它的返回值通过vm_fault_t来保存，主要类型定义在如下：

#include/linux/mm_types.h
/*** enum vm_fault_reason - Page fault handlers return a bitmask of* these values to tell the core VM what happened when handling the* fault. Used to decide whether a process gets delivered SIGBUS or* just gets major/minor fault counters bumped up.** @VM_FAULT_OOM:               Out Of Memory* @VM_FAULT_SIGBUS:            Bad access* @VM_FAULT_MAJOR:             Page read from storage* @VM_FAULT_WRITE:             Special case for get_user_pages* @VM_FAULT_HWPOISON:          Hit poisoned small page* @VM_FAULT_HWPOISON_LARGE:    Hit poisoned large page. Index encoded*                              in upper bits* @VM_FAULT_SIGSEGV:           segmentation fault* @VM_FAULT_NOPAGE:            ->fault installed the pte, not return page* @VM_FAULT_LOCKED:            ->fault locked the returned page* @VM_FAULT_RETRY:             ->fault blocked, must retry* @VM_FAULT_FALLBACK:          huge page fault failed, fall back to small* @VM_FAULT_DONE_COW:          ->fault has fully handled COW* @VM_FAULT_NEEDDSYNC:         ->fault did not modify page tables and needs*                              fsync() to complete (for synchronous page faults*                              in DAX)* @VM_FAULT_HINDEX_MASK:       mask HINDEX value**/
enum vm_fault_reason {VM_FAULT_OOM            = (__force vm_fault_t)0x000001,VM_FAULT_SIGBUS         = (__force vm_fault_t)0x000002,VM_FAULT_MAJOR          = (__force vm_fault_t)0x000004,VM_FAULT_WRITE          = (__force vm_fault_t)0x000008,VM_FAULT_HWPOISON       = (__force vm_fault_t)0x000010,VM_FAULT_HWPOISON_LARGE = (__force vm_fault_t)0x000020,VM_FAULT_SIGSEGV        = (__force vm_fault_t)0x000040,VM_FAULT_NOPAGE         = (__force vm_fault_t)0x000100,VM_FAULT_LOCKED         = (__force vm_fault_t)0x000200,VM_FAULT_RETRY          = (__force vm_fault_t)0x000400,VM_FAULT_FALLBACK       = (__force vm_fault_t)0x000800,VM_FAULT_DONE_COW       = (__force vm_fault_t)0x001000,VM_FAULT_NEEDDSYNC      = (__force vm_fault_t)0x002000,VM_FAULT_HINDEX_MASK    = (__force vm_fault_t)0x0f0000,
};

|- -设置vm_flags和mm_flags标记

设置vm_flags和mm_flags标记|--if (user_mode(regs))|      mm_flags |= FAULT_FLAG_USER;|--if (is_el0_instruction_abort(esr))|      vm_flags = VM_EXEC|      mm_flags |= FAULT_FLAG_INSTRUCTION|--else if (is_write_abort(esr))|      vm_flags = VM_WRITE|      mm_flags |= FAULT_FLAG_WRITE\--if (is_ttbr0_addr(addr) && is_el1_permission_fault(addr, esr, regs))die_kernel_fault（...）

主要根据是否是用户模式、是否是指令异常、是否是写入异常等分别设置vm_flags和mm_flags标志

user_mode(regs)：判断如果是用户态（通过((regs)->pstate & PSR_MODE_MASK) == PSR_MODE_EL0t），则 mm_flags |= FAULT_FLAG_USER
is_el0_instruction_abort(esr)：如果是用户态指令异常，则表示进程地址空间有可执行权限
is_write_abort(esr)：如果是写入导致的异常错误，设置VM_WRITE标志
is_ttbr0_addr(addr) && is_el1_permission_fault(addr, esr, regs)：如果addr为用户空间，且访问权限问题发生在el1，调用die_kernel_fault进行处理，主要区分了三种情况。

|- -__do_page_fault

__do_page_fault(mm, addr, mm_flags, vm_flags, regs)|  //查找vma|--vma = find_vma(mm, addr)|  //如果查找不到vma，说明addr还没有在进程地址空间，即不在进程的任何vma|--if (unlikely(!vma)) |      return VM_FAULT_BADMAP |  //尝试将vma扩展到addr|--if (unlikely(vma->vm_start > addr))|      expand_stack(vma, addr)|  //将根据异常类型更新的vm_flags与addr所在线性区标记进行比较，如果不匹配，则返回错误 |--if (!(vma->vm_flags & vm_flags))|      return VM_FAULT_BADACCESS|--handle_mm_fault(vma, addr & PAGE_MASK, mm_flags, regs)

handle_mm_fault(vma, address, flags, regs)|-- __set_current_state(TASK_RUNNING)|--count_vm_event(PGFAULT)|--count_memcg_event_mm(vma->vm_mm, PGFAULT)|--check_sync_rss_stat(current)|--arch_vma_access_permitted(vma, flags&FAULT_FLAG_WRITE,|                     flags&FAULT_FLAG_INSTRUCTION,flags&FAULT_FLAG_REMOTE))|--ret = __handle_mm_fault(vma, address, flags)|  //计数缺页异常的页面，会区分主缺页和次缺页\--mm_account_fault(regs, address, flags, ret)

执行handle_mm_fault(请求调页)分配一个新的页框,如果成功则返回VM_FAULT_MINOR或VM_FAULT_MAJOR

__handle_mm_fault(vma, address, flags)|--初始化struct vm_fault vmf|--struct mm_struct *mm = vma->vm_mm //获取进程的内存描述符|--pgd = pgd_offset(mm, address) //初始化缺页异常地址对应的pgd页表项|--p4d = p4d_alloc(mm, pgd, address)|--vmf.pud = pud_alloc(mm, p4d, address)|--vmf.pmd = pmd_alloc(mm, vmf.pud, address)\--handle_pte_fault(&vmf)

__handle_mm_fault是缺页处理的核心函数，其中关于巨页相关的处理省略

初始化struct vm_fault vmf：主要初始化了vma, address(页对齐)，flags，pgoff（address在vma的偏移），gfp_mask
handle_pte_fault：主要采用vm_fault数据结构来管理很多参数，它主要通过vma首先判断addr所对应的pte是否为空，如果为空则进一步判断是匿名映射还是文件映射，如果不为空，则进一步根据pte页表项，触发页面换入、写时复制等。详细的分析流程见：内存管理基础学习笔记 - 4.3 缺页中断处理 - handle_pte_fault

|- -根据返回值fault做相应处理

根据返回值fault做相应处理|  //如果有信号pending，则优先处理信号|--if (fault_signal_pending(fault, regs))|      return 0;|  // retry处理|--if (fault & VM_FAULT_RETRY)|      if (mm_flags & FAULT_FLAG_ALLOW_RETRY)|          mm_flags |= FAULT_FLAG_TRIED;|          goto retry;|  //正常情况的处理，Handle the "normal" (no error) case first|--if (likely(!(fault & (VM_FAULT_ERROR | VM_FAULT_BADMAP ||      VM_FAULT_BADACCESS)))) |      return 0；|  //如果是kernel模式，直接退出|--if (!user_mode(regs)) |      goto no_context|  //缺页处理过程中无法分配内存|  //执行OOM killer, 并返回用户空间，用户空间会重新触发page fault|--if (fault & VM_FAULT_OOM)|      pagefault_out_of_memory() |--inf = esr_to_fault_info(esr)|--set_thread_esr(addr, esr)|  //系统中有内存，但是发生了无法处理的错误，发送信号给内核来终止发生异常的进程|--if (fault & VM_FAULT_SIGBUS)|      arm64_force_sig_fault(SIGBUS, BUS_ADRERR, (void __user *)addr,inf->name) //发送SIGBUS给当前进程|--else if (fault & (VM_FAULT_HWPOISON_LARGE | VM_FAULT_HWPOISON))|      arm64_force_sig_mceerr(BUS_MCEERR_AR, (void __user *)addr, lsb，inf->name)|  //Something tried to access memory that isn't in our memory map\--else arm64_force_sig_fault(SIGSEGV,fault == VM_FAULT_BADACCESS ? SEGV_ACCERR : SEGV_MAPERR,(void __user *)addr,inf->name);//发送SIGSEGV给当前进程

参考文档

奔跑吧，Linux内核

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内存管理基础学习笔记 - 4.2 缺页中断处理 - do_page_fault

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