page fault时发生了什么

术道经纬 2020-08-03

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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）。

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。

void __do_page_fault(...)
{
if (unlikely(fault_in_kernel_space(address)))
        do_kern_addr_fault(regs, hw_error_code, address);
    else
        do_user_addr_fault(regs, hw_error_code, address);
...
}

内核页面由于使用频繁，通常不会被换出，所以这里是"unlikely"。

do_kern_addr_fault()
    --> vmalloc_fault()

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。

do_user_addr_fault()
    --> handle_mm_fault()
        --> handle_pte_fault()

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，内核并不会立刻为其分配物理内存。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()。

vm_fault_t handle_pte_fault(struct vm_fault *vmf)
{
    if (!vmf->pte) {
        if (vma_is_anonymous(vmf->vma))
            return do_anonymous_page(vmf);
        else
            return do_fault(vmf);
    }
    ...
}

如果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"。

即便PTE存在且"P"位为1，也不代表就不会导致page fault，因为PTE指向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。

struct vm_area_struct vma = find_vma(mm, address);

if (unlikely(!vma)) {
    bad_area(regs, hw_error_code, address);
return;
}
if(likely(vma->vm_start <= address))
    goto good_area;

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）。

PTE存在，地址也落在进程的地址空间中，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。如果访问了非法的地址，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。

数据库

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