转自：/vanbreaker/article/details/7881206
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前面简单的分析了内核处理用户空间缺页异常的流程，进入到了handle_mm_fault()函数，该函数为触发缺页异常的地址address分配各级的页目录，也就是说现在已经拥有了一个和address配对的pte了，但是这个pte如何去映射物理页框，内核又得根据pte的状态进行分类和判断，而这个过程又会牵扯出一些其他的概念……这也是初读linux内核源码的最大障碍吧，在一些复杂的处理中，一个点往往可以延伸出一个面，容易让人迷失方向……因此后面打算分几次将这个函数分析完，自己也没有完全理解透，所以不到位的地方欢迎大家指出，一起交流~
[cpp]view plaincopy staticinlineinthandle_pte_fault(structmm_struct*mm,structvm_area_struct*vma,unsignedlongaddress,pte_t*pte,pmd_t*pmd,unsignedintflags){pte_tentry;spinlock_t*ptl;entry=*pte;if(!pte_present(entry)){//如果页不在主存中if(pte_none(entry)){//页表项内容为0，表明进程未访问过该页/*如果vm_ops字段和fault字段都不为空，则说明这是一个基于文件的映射*/if(vma->vm_ops){if(likely(vma->vm_ops->fault))returndo_linear_fault(mm,vma,address,pte,pmd,flags,entry);}/*否则分配匿名页*/returndo_anonymous_page(mm,vma,address,pte,pmd,flags);}/*属于非线性文件映射且已被换出*/if(pte_file(entry))returndo_nonlinear_fault(mm,vma,address,pte,pmd,flags,entry);/*页不在主存中，但是页表项保存了相关信息，则表明该页被内核换出，则要进行换入操作*/returndo_swap_page(mm,vma,address,pte,pmd,flags,entry);}......}
首先要确定的一点就是pte对应的页是否驻留在主存中，因为pte有可能之前映射了页，但是该页被换出了。上面的代码给出了pte对应的页没有驻留在主存中的情况。如果pte对应的页没有驻留在主存中，且没有映射任何页，即pte_present()返回0，pte_none()返回0，则要判断要分配一个匿名页还是一个映射页。在Linux虚拟内存中，如果页对应的vma映射的是文件，则称为映射页，如果不是映射的文件，则称为匿名页。两者最大的区别体现在页和vma的组织上，因为在页框回收处理时要通过页来逆向搜索映射了该页的vma。对于匿名页的逆映射，vma都是通过vma结构体中的vma_anon_node(链表节点)和anon_vma(链表头)组织起来，再把该链表头的信息保存在页描述符中；而映射页和vma的组织是通过vma中的优先树节点和页描述符中的mapping->i_mmap优先树树根进行组织的，具体可以参看ULK3。
来看基于文件的映射的处理:
[cpp]view plaincopy staticintdo_linear_fault(structmm_struct*mm,structvm_area_struct*vma,unsignedlongaddress,pte_t*page_table,pmd_t*pmd,unsignedintflags,pte_torig_pte){pgoff_tpgoff=(((address&PAGE_MASK)-vma->vm_start)>>PAGE_SHIFT)+vma->vm_pgoff;pte_unmap(page_table);//如果page_table之前用来建立了临时内核映射，则释放该映射return__do_fault(mm,vma,address,pmd,pgoff,flags,orig_pte);}
关键函数__do_fault():
[cpp]view plaincopy staticint__do_fault(structmm_struct*mm,structvm_area_struct*vma,unsignedlongaddress,pmd_t*pmd,pgoff_tpgoff,unsignedintflags,pte_torig_pte){pte_t*page_table;spinlock_t*ptl;structpage*page;pte_tentry;intanon=0;intcharged=0;structpage*dirty_page=NULL;structvm_faultvmf;intret;intpage_mkwrite=0;vmf.virtual_address=(void__user*)(address&PAGE_MASK);vmf.pgoff=pgoff;vmf.flags=flags;vmf.page=NULL;ret=vma->vm_ops->fault(vma,&vmf);//调用定义好的fault函数，确保将所需的文件数据读入到映射页if(unlikely(ret&(VM_FAULT_ERROR|VM_FAULT_NOPAGE)))returnret;if(unlikely(PageHWPoison(vmf.page))){if(ret&VM_FAULT_LOCKED)unlock_page(vmf.page);returnVM_FAULT_HWPOISON;}/**Forconsistencyinsubsequentcalls,makethefaultedpagealways*locked.*/if(unlikely(!(ret&VM_FAULT_LOCKED)))lock_page(vmf.page);elseVM_BUG_ON(!PageLocked(vmf.page));/**ShouldwedoanearlyC-O-Wbreak?*/page=vmf.page;if(flags&FAULT_FLAG_WRITE){//写访问if(!(vma->vm_flags&VM_SHARED)){//私有映射，则要创建一个副本进行写时复制anon=1;//标记为一个匿名映射if(unlikely(anon_vma_prepare(vma))){//创建一个anon_vma实例给vmaret=VM_FAULT_OOM;gotoout;}page=alloc_page_vma(GFP_HIGHUSER_MOVABLE,//分配一个页vma,address);if(!page){ret=VM_FAULT_OOM;gotoout;}if(mem_cgroup_newpage_charge(page,mm,GFP_KERNEL)){ret=VM_FAULT_OOM;page_cache_release(page);gotoout;}charged=1;/**Don'tletanothertask,withpossiblyunlockedvma,*keepthemlockedpage.*/if(vma->vm_flags&VM_LOCKED)clear_page_mlock(vmf.page);/*创建数据的副本，将数据拷贝到新分配的页*/copy_user_highpage(page,vmf.page,address,vma);__SetPageUptodate(page);}else{/**Ifthepagewillbeshareable,seeifthebacking*addressspacewantstoknowthatthepageisabout*tobecomewritable*/if(vma->vm_ops->page_mkwrite){inttmp;unlock_page(page);vmf.flags=FAULT_FLAG_WRITE|FAULT_FLAG_MKWRITE;tmp=vma->vm_ops->page_mkwrite(vma,&vmf);if(unlikely(tmp&(VM_FAULT_ERROR|VM_FAULT_NOPAGE))){ret=tmp;gotounwritable_page;}if(unlikely(!(tmp&VM_FAULT_LOCKED))){lock_page(page);if(!page->mapping){ret=0;/*retrythefault*/unlock_page(page);gotounwritable_page;}}elseVM_BUG_ON(!PageLocked(page));page_mkwrite=1;}}}page_table=pte_offset_map_lock(mm,pmd,address,&ptl);/**ThissillyearlyPAGE_DIRTYsettingremovesarace*duetothebadi386pageprotection.Butit'svalid*forotherarchitecturestoo.**NotethatifFAULT_FLAG_WRITEisset,weeithernowhave*anexclusivecopyofthepage,orthisisasharedmapping,*sowecanmakeitwritableanddirtytoavoidhavingto*handlethatlater.*//*Onlygothroughifwedidn'tracewithanybodyelse...*/if(likely(pte_same(*page_table,orig_pte))){//确定没有竞争，也就是页表项中的内容和之前是一样的flush_icache_page(vma,page);entry=mk_pte(page,vma->vm_page_prot);//页表项指向对应的物理页/*如果是写操作，则将页的访问权限置为RW*/if(flags&FAULT_FLAG_WRITE)entry=maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry),vma);/*如果之前生成的页是匿名的，则将其集成到逆向映射当中*/if(anon){inc_mm_counter(mm,anon_rss);page_add_new_anon_rmap(page,vma,address);//建立匿名页与第一个vma的逆向映射}else{inc_mm_counter(mm,file_rss);page_add_file_rmap(page);//建立页与vma的普通映射if(flags&FAULT_FLAG_WRITE){dirty_page=page;get_page(dirty_page);}}set_pte_at(mm,address,page_table,entry);//修改page_table使其指向entry对应的页框/*noneedtoinvalidate:anot-presentpagewon'tbecached*/update_mmu_cache(vma,address,entry);}else{if(charged)mem_cgroup_uncharge_page(page);if(anon)page_cache_release(page);elseanon=1;/*noanonbutreleasefaulted_page*/}pte_unmap_unlock(page_table,ptl);out:if(dirty_page){structaddress_space*mapping=page->mapping;if(set_page_dirty(dirty_page))page_mkwrite=1;unlock_page(dirty_page);put_page(dirty_page);if(page_mkwrite&&mapping){/**Somedevicedriversdonotsetpage.mappingbutstill*dirtytheirpages*/balance_dirty_pages_ratelimited(mapping);}/*file_update_timeoutsidepage_lock*/if(vma->vm_file)file_update_time(vma->vm_file);}else{unlock_page(vmf.page);if(anon)page_cache_release(vmf.page);}returnret;unwritable_page:page_cache_release(page);returnret;}
首先要做的就是调用vma->vm_ops中定义好的fault()函数，将所需的数据从文件读入到映射页中，该函数还会将vma插入到映射页的mapping->i_mmap优先树中。
文件一般以共享的方式进行映射，接下来就要判断触发异常的操作是否包含写操作，如果是写操作并且该vma不是以共享的方式映射该页，则要进行写时复制，也就是创建一个新的页来供该vma读写，此时会申请一个匿名页，并将数据拷贝到该匿名页中。
接下来就要计算出page对应的pte值是多少，并将page_table指向的pte以该值进行填充，这样就完成了页表项到物理页的映射
再来看分配匿名页的处理
[cpp]view plaincopy staticintdo_anonymous_page(structmm_struct*mm,structvm_area_struct*vma,unsignedlongaddress,pte_t*page_table,pmd_t*pmd,unsignedintflags){structpage*page;spinlock_t*ptl;pte_tentry;pte_unmap(page_table);/*Checkifweneedtoaddaguardpagetothestack*/if(check_stack_guard_page(vma,address)<0)returnVM_FAULT_SIGBUS;/*Usethezero-pageforreads*//*如果是读操作，那么就让entry指向一个已有的填充为0的现有页，因为进程是第一次访问该页，所以页中的内容是什么并不重要，这样进一步推迟了新页的分配*/if(!(flags&FAULT_FLAG_WRITE)){entry=pte_mkspecial(pfn_pte(my_zero_pfn(address),vma->vm_page_prot));page_table=pte_offset_map_lock(mm,pmd,address,&ptl);if(!pte_none(*page_table))gotounlock;gotosetpte;}/*如果是写操作，则要分配一个新的页*//*Allocateourownprivatepage.*/if(unlikely(anon_vma_prepare(vma)))//分配一个anon_vma实例gotooom;/*分配一个被0填充的页*/page=alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma,address);if(!page)gotooom;__SetPageUptodate(page);if(mem_cgroup_newpage_charge(page,mm,GFP_KERNEL))gotooom_free_page;/*获取页对应的PTE内容*/entry=mk_pte(page,vma->vm_page_prot);/*如果是写操作则将页的权限设为读写并设置为脏页*/if(vma->vm_flags&VM_WRITE)entry=pte_mkwrite(pte_mkdirty(entry));page_table=pte_offset_map_lock(mm,pmd,address,&ptl);if(!pte_none(*page_table))gotorelease;inc_mm_counter(mm,anon_rss);page_add_new_anon_rmap(page,vma,address);//建立线性区和匿名页的反向映射setpte:set_pte_at(mm,address,page_table,entry);//设置page_table对应的pte/*Noneedtoinvalidate-itwasnon-presentbefore*/update_mmu_cache(vma,address,entry);//更新MMU缓存unlock:pte_unmap_unlock(page_table,ptl);return0;release:mem_cgroup_uncharge_page(page);page_cache_release(page);gotounlock;oom_free_page:page_cache_release(page);oom:returnVM_FAULT_OOM;}
匿名页分配的工作和__do_fault()中分配匿名页差不多，只不过前面多了一个读写的判断，如果是读的话，不会分配匿名页，而是让pte指向一个被0填充的页，这样就进一步推迟了页的分配。也许你会觉得奇怪，既然要读数据怎么可以分配一个事先准备好的全0的页，其实仔细想想就会明白，缺页异常处理进行到这里，一定是第一次访问相应的内存时才会触发，匿名页对应的一般都是堆，栈这些区域，对这些区域的访问一定先是写而不是读，所以对于这种操作本身就不正常，分配一个被0填充的页使用户进程读出来的都是0也许会更安全一些。
如果不是这两种情况的话，也就是说pte_none()返回的是0，那就说明pte之前映射过页，只是该页已被换出
如果该页之前是用来进行非线性文件映射的话，其处理的主体函数就是上面介绍过的__do_fault()
[cpp]view plaincopy staticintdo_nonlinear_fault(structmm_struct*mm,structvm_area_struct*vma,unsignedlongaddress,pte_t*page_table,pmd_t*pmd,unsignedintflags,pte_torig_pte){pgoff_tpgoff;flags|=FAULT_FLAG_NONLINEAR;if(!pte_unmap_same(mm,pmd,page_table,orig_pte))return0;if(unlikely(!(vma->vm_flags&VM_NONLINEAR))){//确保vma具有非线性映射属性/**Pagetablecorrupted:showpteandkillprocess.*/print_bad_pte(vma,address,orig_pte,NULL);returnVM_FAULT_SIGBUS;}pgoff=pte_to_pgoff(orig_pte);//获取映射的文件偏移return__do_fault(mm,vma,address,pmd,pgoff,flags,orig_pte);}
pte_to_pgoff()这个函数是和pgoff_to_pte()相对的一组操作。在非线性文件映射的页被换出时，其映射文件的偏移会以PAGE_SIZE为单位进行编码，存储到其pte中，所以当要重新换入该页时，要进行相应的解码计算出pgoff，再由__do_fault()进行处理！
对于页没有驻留在主存的情况中的最后一种处理方式，do_swap_page()，留在下次再做分析！
