1.用户空间内存之缺页分析

在linux中使用了分页机制，分页机制把线性地址空间分成固定大小的页面，如果包含线性地址的页面当前不在物理内存中，处理器就会产生一个页错误异常。然后交给内核处理。

在init/main.c中，内核调用了trap_init方法初始化中断处理，其中就设置了缺页异常，page_fault是一个用汇编实现的方法，它只是把实际处理方法do_page_fault入栈，然后跳转到统一的错误中断入口，所以我们可以直接跳到do_page_fault去看看

void trap_init(void)
{
    int i;

    // ......
    set_trap_gate(13,&general_protection);
    set_trap_gate(14,&page_fault);      /*缺页中断*/
    // ......
}

// sys_call.S 中的page_fault方法，只是把do_page_fault入栈
.align 4
_page_fault:
    pushl $_do_page_fault
    jmp error_code

do_page_fault方法中，我们现在仅仅需要看用户空间的，内核空间的缺页暂时不管

asmlinkage void do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
{
    unsigned long address;
    unsigned long user_esp = 0;
    unsigned int bit;

    /*从cr2中读取引起页错误的地址*/
    __asm__("movl %%cr2,%0":"=r" (address));
    /*如果是用户空间*/
    if (address < TASK_SIZE) {
        if (error_code & 4) {   /* user mode access? */
            if (regs->eflags & VM_MASK) {
                bit = (address - 0xA0000) >> PAGE_SHIFT;
                if (bit < 32)
                    current->screen_bitmap |= 1 << bit;
            } else 
                user_esp = regs->esp;
        }
        // 错误码如果是1代表访问了非法的物理地址
        if (error_code & 1)
            do_wp_page(error_code, address, current, user_esp);
        // 错误码为0代表访问了不存在的物理地址
        else
            do_no_page(error_code, address, current, user_esp);
        return;
    }
}

页表项

先看页不存在吧，也就是do_no_page，该版本的linux还是使用二级目录，也就是把32位线性地址分成3部分（目录，页面，页内偏移）。get_empty_pgtable方法就是取前10位取出目录页

page是目录页，接下来就从中间10位取出页表项，如果页表项存在，直接返回该页

/* 要访问的地址不在内存当中
 */
void do_no_page(unsigned long error_code, unsigned long address,
    struct task_struct *tsk, unsigned long user_esp)
{
    unsigned long tmp;
    unsigned long page;
    struct vm_area_struct * mpnt;

    /* 
     * 根据前10位目录标记取出目录页
     */
    page = get_empty_pgtable(tsk,address);
    if (!page)
        return;
    page &= PAGE_MASK;

    // 根据中间10位从目录页中取地址页
    page += PAGE_PTR(address);
    tmp = *(unsigned long *) page;
    // 如果地址页存在直接返回
    if (tmp & PAGE_PRESENT)
        return;

    /*增加进程在内核中占用的物理页的数量*/
    ++tsk->rss;
    /*如果缺页的内存在交换区中则将交换区中的内存交换到内存*/
    if (tmp) {
        ++tsk->maj_flt;
        /*注意此处的page是页表项的地址*/
        swap_in((unsigned long *) page);
        return;
    }
    
    /* vm_area_struct中的地址是和4KB对齐的
     */
    address &= 0xfffff000;
    tmp = 0;
    /* 此处注意虚拟地址链表是按照地址大小顺序来排列的，目前版本内核是链表的，
     * 在高版本内核中是二叉树结构(AVL)，
     */
    for (mpnt = tsk->mmap; mpnt != NULL; mpnt = mpnt->vm_next) {
        if (address < mpnt->vm_start)
            break;
        if (address >= mpnt->vm_end) {
            tmp = mpnt->vm_end;
            continue;
        }
        // 执行到该处说明找到了一个地址处于mmap区间内的虚拟地址段

        // vm_ops是该内存段的操作属性，类似file的op
        // 里面涵盖了该内存的一些方法执行的动作，其中就有缺页nopage
        if (!mpnt->vm_ops || !mpnt->vm_ops->nopage) {
            ++tsk->min_flt;
            get_empty_page(tsk,address);
            return;
        }
        // 如果指定了nopage方法则调用
        mpnt->vm_ops->nopage(error_code, mpnt, address);
        return;
    }
    
    // 执行到再最终检查
    // 如果进程不是当前进程
    // 或者地址大于进程end_data又小于brk
    // 其他情况都杀死进程
    if (tsk != current)
        goto ok_no_page;
    if (address >= tsk->end_data && address < tsk->brk)
        goto ok_no_page;
    if (mpnt && mpnt == tsk->stk_vma &&
        address - tmp > mpnt->vm_start - address &&
        tsk->rlim[RLIMIT_STACK].rlim_cur > mpnt->vm_end - address) {
        mpnt->vm_start = address;
        goto ok_no_page;
    }
    /*cr2记录缺页地址*/
    tsk->tss.cr2 = address;
    current->tss.error_code = error_code;
    current->tss.trap_no = 14;
    /*发送段错误信号，杀死进程*/
    send_sig(SIGSEGV,tsk,1);
    if (error_code & 4) /* user level access? */
        return;
ok_no_page:
    ++tsk->min_flt;
    get_empty_page(tsk,address);
}

交换区，上面代码中，从目录页取出对应的页表项的时候，如果页表项的P位存在则直接返回对应的页，如果P不存在但页表项又不全为0，则从交换区内换到内存。在swap_in方法中，entry是页表项指针对应的内容，也就是下图中32位的数据，用一个long型结构保存着。

image.png

void swap_in(unsigned long *table_ptr)
{
    unsigned long entry;
    unsigned long page;

    entry = *table_ptr;
    // 如果该页的P位为1直接返回
    if (PAGE_PRESENT & entry) {
        printk("trying to swap in present page\n");
        return;
    }
    // 如果entry全0，也直接返回
    if (!entry) {
        printk("No swap page in swap_in\n");
        return;
    }

    // SWP_TYPE是宏，取后8位并右移1位（也就是取跳过P位的后7位）
    // 如果type=SHM_SWP_TYPE代表属于共享内存
    if (SWP_TYPE(entry) == SHM_SWP_TYPE) {
        shm_no_page ((unsigned long *) table_ptr);
        return;
    }
    
    // 申请一页内存，如果申请失败则oom退出进程ß
    if (!(page = get_free_page(GFP_KERNEL))) {
        oom(current);
        page = BAD_PAGE;
    } else  
        read_swap_page(entry, (char *) page);
    if (*table_ptr != entry) {
        free_page(page);
        return;
    }
    /* 设置表项和内存页的映射关系*/
    *table_ptr = page | (PAGE_DIRTY | PAGE_PRIVATE);
    swap_free(entry);
}

参考文章:
swap机制概述