[转帖]Linux系统：page fault

linux,系统,page,fault · 浏览次数 : 0

小编点评

**程序访问异常处理** ```c if (unlikely(access_error(error_code, vma))) { bad_area_access_error(regs, error_code, address); return; } ``` **排版** ```c if (unlikely(expand_stack(vma, address))) { bad_area_access_error(regs, error_code, address); return; } ``` **其他** * `up_read()`函数用于读取内存中的数据。 * `flags`变量用于控制异常的处理。 * ` Fault_FLAG_ALLOW_RETRY`常数用于指示是否允许重试。

正文

Linux进程如何访问内存

        Linux下，进程并不是直接访问物理内存，而是通过内存管理单元(MMU)来访问内存资源，原因后面会讲到。

为什么需要虚拟内存地址空间

       假设某个进程需要4MB的空间，内存假设是1MB的，如果进程直接使用物理地址，这个进程会因为内存不足跑不起来。既然进程不是直接访问物理内存，那么进程中涉及的内存地址当然也不是物理内存地址。而是虚拟的内存地址，虚拟的内存地址和物理的内存地址之间保持一种映射关系，这种关系由MMU进行管理。每个进程都有自己独立的虚拟地址空间。

什么是MMU

MMU_principle_updated
        MMU 全称是内存管理单元，它将物理内存分割成多个pages，MMU管理进程的虚拟地址空间中的PAGE和物理内存中的PAGE之间的映射关系。
       因为是映射，所以随时都可能发生变化，例如某个进程虚拟内存空间中的PAGE1，在不同的时间点，可能出现在物理内存中的不同位置（当发生了页交换时）。

什么是page fault

       当进程访问它的虚拟地址空间中的PAGE时，如果这个PAGE目前还不在物理内存中，此时CPU是不能干活的，Linux会产生一个hard page fault中断。系统需要从慢速设备（如磁盘）将对应的数据PAGE读入物理内存，并建立物理内存地址与虚拟地址空间PAGE的映射关系。然后进程才能访问这部分虚拟地址空间的内存。

page fault 又分为几种，major page fault、 minor page fault、 invalid(segment fault)。

major page fault 也称为 hard page fault, 指需要访问的内存不在虚拟地址空间，也不在物理内存中，需要从慢速设备载入。从swap 回到物理内存也是 hard page fault。

minor page fault 也称为 soft page fault, 指需要访问的内存不在虚拟地址空间，但是在物理内存中，只需要MMU建立物理内存和虚拟地址空间的映射关系即可。

  1. 当一个进程在调用 malloc 获取虚拟空间地址后，首次访问该地址会发生一次soft  page fault。
  2. 通常是多个进程访问同一个共享内存中的数据，可能某些进程还没有建立起映射关系，所以访问时会出现soft page fault

invalid fault 也称为 segment fault，指进程需要访问的内存地址不在它的虚拟地址空间范围内，属于越界访问，内核会报 segment fault错误。

源码解析：

mm_struct和vm_area_struct
mm_struct:
mm_struct是task_struct的一个成员变量，是对整个进程用户空间的描述。
mm_struct收集一系列vm_area_struct信息。

vm_area_struct:
Linux内核将内存划分为不同的区域(vm_area_struct)，每个区域是一系列连续的有相同保护和分页属性的页面，vm_area_struct是内存管理的最小单元。

page fault
参考代码：kernel/4.1.18/linux-4.1.18.y/arch/arm64/mm/fault.c　　　　static int __do_page_fault()

page fault出现的原因：
a). 页表中找不到对应虚拟地址的PTE(无效地址/有效地址但是没有载入主存);
b). 对应虚拟地址的PTE拒绝访问。

page fault在哪里进行处理
page fault被CPU捕获，跳转到 page_fault_handler 进行处理。

page fault的处理方式
page fault -> 访问地址是否合法
a. 无效地址：segment fault，返回(用户地址杀死进程、内核地址杀死内核)
b. 有效地址：
1). page第一次被访问: demand_page_faults (demanding pages，请求调页)
检查页表中是否存在该PTE　　　　pmd_none, pte_none
分配新的页帧，初始化(从磁盘读入内存)
2). page被交换到swap分区
检查present标志位，如果该位为0表示不在主存中。
分配新的页帧，从磁盘重新读入内存。
3). COW(Copy-On-Write)
vm_area_struct允许写，但是对应的PTE禁止写操作。

如何判断访问地址是否合法？如果地址合法有什么操作？
判断地址合法的方式：
static int __do_page_fault()函数 vma = find_vma(mm, addr);
根据传入的地址addr查找对应的vm_area_struct，如果没有找到证明该地址访问无效，返回segment fault。
 

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    

  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);
  20.  
  21.     tsk = current;
  22.     mm = tsk->mm;
  23.  
  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();
  27.  
  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);
  35.  
  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;
  39.  
  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;
  65.  
  66.             if (kmemcheck_fault(regs, address, error_code))
  67.                 return;
  68.         }
  69.  
  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;
  77.  
  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);
  91.  
  92.         return;
  93.     }
  94.  
  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.     }
  117.  
  118.     if (unlikely(error_code & PF_RSVD))
  119.         pgtable_bad(regs, error_code, address);
  120.  
  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.     }
  127.  
  128.     perf_sw_event(PERF_COUNT_SW_PAGE_FAULTS, 1, regs, address);
  129.  
  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.     }
  142.  
  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.     }
  182.  
  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.     }
  229.  
  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.     }
  242.  
  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);
  254.  
  255.     if (unlikely(fault & (VM_FAULT_RETRY|VM_FAULT_ERROR))) {
  256.         if (mm_fault_error(regs, error_code, address, fault))
  257.             return;
  258.     }
  259.  
  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.     }
  283.  
  284.     // VM86模式(兼容老环境)相关检查
  285.     check_v8086_mode(regs, address, tsk);
  286.  
  287.     up_read(&mm->mmap_sem);
  288. }

 

 

参考文献：

https://blog.csdn.net/h549570564/article/details/90760407

https://blog.csdn.net/vanquishedzxl/article/details/47029805?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task

http://blog.chinaunix.net/uid-29813277-id-4425529.html

 

 

linux 系统 page fault

与[转帖]Linux系统：page fault相似的内容：

[转帖]Linux系统：page fault

Linux进程如何访问内存 Linux下，进程并不是直接访问物理内存，而是通过内存管理单元(MMU)来访问内存资源，原因后面会讲到。 为什么需要虚拟内存地址空间 假设某个进程需要4MB的空间，内存假设是1MB的，如果进程直接使用物理地址，这个进程会因为内存不足跑不起来。既然进程不是直接访问物理内存，

linux 系统 page fault
0
[转帖]Linux系统中的Page cache和Buffer cache

Free命令显示内存 首先，我们来了解下内存的使用情况： Mem：表示物理内存统计 total：表示物理内存总量(total = used + free) used：表示总计分配给缓存（包含buffers 与cache ）使用的数量，但其中可能部分缓存并未实际使用。 free：未被分配的内存。 sh

linux 系统 page cache
0
[转帖]Linux：页表中PGD、PUD、PMD、TLB等概念介绍

1、PGD: Page Global Directory Linux系统中每个进程对应用户空间的pgd是不一样的，但是linux内核 的pgd是一样的。当创建一个新的进程时，都要为新进程创建一个新的页面目录PGD，并从内核的页面目录swapper_pg_dir中复制内核区间页面目录项至新建进程页面目

linux 页表 pgd pud
0
[转帖]Linux中的Page cache和Buffer cache详解

1、内存情况 在讲解Linux内存管理时已经提到，当你在Linux下频繁存取文件后，即使系统上没有运行许多程序，也会占用大量的物理内存。这是因为当你读写文件的时候，Linux内核为了提高读写的性能和速度，会将文件在内存中进行缓存，这部分内存就是Cache Memory(缓存内存)。即使你的程序运行结

linux page cache buffer
0
[转帖]Linux系统多网卡环境下的路由配置

https://www.cnblogs.com/connect/p/linux-static-route.html Linux下路由配置命令 1. 添加主机路由 route add -host 192.168.1.11 dev eth0 route add -host 192.168.1.12 gw

linux 系统 网卡 环境
0
[转帖]linux 系统 UDP 丢包问题分析思路

https://cizixs.com/2018/01/13/linux-udp-packet-drop-debug/ 最近工作中遇到某个服务器应用程序 UDP 丢包，在排查过程中查阅了很多资料，总结出来这篇文章，供更多人参考。 在开始之前，我们先用一张图解释 linux 系统接收网络报文的过程。 首

linux 系统 udp 问题
0
[转帖]Linux系统IO基准测试方法

https://www.cnblogs.com/wangzhen3798/p/13631848.html 顺序读写测试 主要关注磁盘的吞吐量，即每秒能够读入或者写出多少数据。普通单块机械磁盘顺序写在100MB/s左右，普通单块SSD的顺序写在500MB/s左右。该指标对MQ、ES等以append方式

linux 系统 io 基准
0
[转帖]Linux系统指令 top 之 %si 占用高，分析实例

https://www.coonote.com/linux-note/linux-top-si-high-instance.html 续“top %wa 高的问题”之后，又遇到top之%si过高(高峰时段超过95%)的问题。 %wa高，说明磁盘忙。譬如磁盘读写次数非常高。 %si高，是否说明软中断忙

linux 系统 指令 top
0
[转帖]Linux系统中的tar命令

https://www.cnblogs.com/PatrickLiu/p/9761988.html 时间一长什么东西都容易忘记，尤其是一些不常用的东西忘记的更快，所以避免忘记，就记录下来，可以方面使用的时候查询。Tar命令在linux系统中算是一个比较重要的命令，今天就针对该命令进行总结一下。 1．

linux 系统 tar 命令
0
[转帖]Linux 系统TCP连接内存大小限制 调优

https://www.cnblogs.com/liujunjun/p/12496677.html 系统TCP连接内存大小限制 TCP的每一个连接请求，读写都需要占用系统内存资源，可根据系统配置，对TCP连接数，内存大小，限制调优。 查看系统内存资源 记录内存 详情：cat /proc/meminf

linux 系统 tcp 连接
0
# 热门排行
微软 New Bing AI 申请与使用保姆级教程（免魔法） ChatGPT API使用介绍 ChatGPT开发实战 一篇带你了解如何使用纯前端类Excel表格构建现金流量表 手把手教你玩转 Excel 数据透视表 为什么 C# 可能是最好的第一编程语言 .NET 入门到高级路线 提高工作效率的神器：基于前端表格实现Chrome Excel扩展插件 React + Springboot + Quartz，从0实现Excel报表自动化 用Echarts实现前端表格引用从属关系可视化
© PmDaddy. 2023 PmDaddy教程网 All rights reserved.