11. 缺页中断处理概述

在之前介绍malloc()和mmap()两个用户API函数的内核实现时，我们发现它们只建立了进程地址空间，在用户空间可以看到虚拟内存，但没有建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。当进程访问这些还没有建立映射关系的虚拟内存时，处理器自动触发一个缺页异常(也称为"缺页中断")，linux内核必须处理此异常。缺页异常是内存管理当中最复杂和重要的一部分，需要考虑很多的细节，包括匿名页面、KSM页面、page cache页面、写时复制、私有映射和共享映射等。

缺页异常处理依赖于处理器的体系结构，因此缺页异常底层的处理流程在内核代码中特定体系结构的部分。下面以ARMv7为例来介绍底层缺页异常处理的过程。

当在数据访问周期里进行存储访问时发生异常，基于ARMv7-A架构的处理器会跳转到异常向量表的Data abort向量中。Data abort的底层汇编处理和irq中断类似。汇编处理流程为__vectors_start->vector_dabt->__dabt_usr/__dabt_svc->dabt_helper->v7_early_abort,我们从ENTRY(v7_early_abort)开始介绍。

[arch/arm/mm/abort-ev7.S]

ENTRY(v7_early_abort)mrc p15, 0, r1, c5, c0, 0       @ get FSRmrc p15, 0, r0, c6, c0, 0       @ get FAR/** V6 code adjusts the returned DFSR.* New designs should not need to patch up faults.*/#if defined(CONFIG_VERIFY_PERMISSION_FAULT)/** Detect erroneous permission failures and fix*/ldr r3, =0x40d          @ On permission faultand r3, r1, r3cmp r3, #0x0dbne do_DataAbortmcr p15, 0, r0, c7, c8, 0       @ Retranslate FARisbmrc p15, 0, ip, c7, c4, 0       @ Read the PARand r3, ip, #0x7b           @ On translation faultcmp r3, #0x0bbne do_DataAbortbic r1, r1, #0xf            @ Fix up FSR FS[5:0]and ip, ip, #0x7eorr r1, r1, ip, LSR #1
#endifb   do_DataAbort

ARM的MMU中有如下两个与存储访问失效相关的寄存器。

失效状态寄存器(Data Fault Status Register, FSR).
失效地址寄存器(Data Fault Address Register, FAR).

当发生存储访问失效时，失效状态寄存器FSR会反映所发生的存储失效的相关信息，包括存储访问所属域和存储访问的类型等，同时失效地址寄存器会记录访问失效的虚拟地址。汇编函数v7_early_abort通过协处理器的寄存器c5和c6读取出FSR和FAR寄存器后，直接调用C语言的do_DataAbort()函数。

/** Dispatch a data abort to the relevant handler.*/
asmlinkage void __exception
do_DataAbort(unsigned long addr, unsigned int fsr, struct pt_regs *regs)
{/*struct fsr_info数据结构用于描述一条失效状态对应的处理方案，下面给出，请立即查看*/const struct fsr_info *inf = fsr_info + fsr_fs(fsr);struct siginfo info;if (!inf->fn(addr, fsr & ~FSR_LNX_PF, regs))return;pr_alert("Unhandled fault: %s (0x%03x) at 0x%08lx\n",inf->name, fsr, addr);show_pte(current->mm, addr);info.si_signo = inf->sig;info.si_errno = 0;info.si_code  = inf->code;info.si_addr  = (void __user *)addr;arm_notify_die("", regs, &info, fsr, 0);
}

static inline int fsr_fs(unsigned int fsr)
{return (fsr & FSR_FS3_0) | (fsr & FSR_FS4) >> 6;
}

struct fsr_info {int (*fn)(unsigned long addr, unsigned int fsr, struct pt_regs *regs);int sig;int code;const char *name;
};
@fn: 表示修复这条失效状态的函数指针.
@sig:表示处理失败时linux内核要发送的信号类型.
@name: 表示这条失效状态的名称.

[arch/arm/mm/fsr-2level.c]

tatic struct fsr_info fsr_info[] = {/** The following are the standard ARMv3 and ARMv4 aborts.  ARMv5* defines these to be "precise" aborts.*/{ do_bad,       SIGSEGV, 0,     "vector exception"         },{ do_bad,       SIGBUS,  BUS_ADRALN,    "alignment exception"          },{ do_bad,       SIGKILL, 0,     "terminal exception"           },{ do_bad,       SIGBUS,  BUS_ADRALN,    "alignment exception"          },{ do_bad,       SIGBUS,  0,     "external abort on linefetch"      },{ 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"       },{ do_bad,       SIGBUS,  0,     "external abort on non-linefetch"  },{ do_bad,       SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "section domain fault"         },{ do_bad,       SIGBUS,  0,     "external abort on non-linefetch"  },{ do_bad,       SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "page domain fault"        },{ do_bad,       SIGBUS,  0,     "external abort on translation"    },{ do_sect_fault,    SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "section permission fault"     },{ do_bad,       SIGBUS,  0,     "external abort on translation"    },{ do_page_fault,    SIGSEGV, SEGV_ACCERR,   "page permission fault"        },......
};

fsr_info[]数组列出了常见的地址失效处理方案，以页面转换失效(page translation fault)和页面访问权限失效为例，它们最终的解决方案是调用do_page_fault()来修复。

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