Linux内核6.6 内存管理（10）缺页中断

1.整体处理逻辑

页缺失错误——整体的处理函数是：

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/arch/arm64/mm/fault.c#L530

do_page_fault(处理物理页的错误)
	handle_mm_fault
		__handle_mm_fault（处理进程的整个虚拟内存错误）
			handle_pte_fault（处理PTE错误）
				do_pte_missing 处理页表项（PTE）缺失错误
					do_anonymous_page(匿名页面缺页)
						
					do_fault(文件页面缺页)

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/memory.c#L4947

handle_pte_fault

pte 的 present 位是什么？

在 Linux 的页表机制中，每个页表项（PTE）都有一个 present 位（通常是最低位），表示该页是否已经被映射到物理内存：

• present = 1：页已经存在于物理内存中。
• present = 0：页不在内存中，可能在交换空间（swap）中，或者根本还没分配。

2.匿名页面的缺页中断

问题 1：什么是匿名页面？

在 Linux 内核中没有关联到文件映射的页面称为匿名页面（Anonymous Page，简称 anon page）。比如 malloc 分配的页面

问题 2：为啥需要匿名页面的缺页中断？

如果没有匿名页面缺页中断，那么你在用户空间使用 malloc () 这个 API 来分配虚拟内存，那么在内核中都需要实实在在的为其分配物理内存。主要的问题，就是浪费，因为很多时候应用程序分配虚拟内存并不会马上使用，所以没有必要马上就满足应用程序的需求。

问题 3：匿名页面缺页中断发生的条件是啥？

1）当 pte 页表项中 PRESENT 没有置位

2）pte 内容为空

3）没有指定 vma->vm_ops->fault () 函数指针

满足上述三个条件我们就判断现在是匿名页面缺页中断了

页表项为空中：匿名页面缺页处理函数

do_anonymous_page()
   ↓
检查是否非法共享映射
   ↓
分配页表项（PTE）
   ↓
只读访问？→ 是 → 使用零页 if (!(vmf->flags & FAULT_FLAG_WRITE) && !mm_forbids_zeropage(vma->vm_mm))
   ↓
	否 → 分配新页  folio = vma_alloc_zeroed_movable_folio(vma, vmf->address);
   ↓
构造 PTE → 设置属性 entry = mk_pte(&folio->page, vma->vm_page_prot);
		 → 映射页表项 set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, entry);
   ↓
写入页表 → 更新 MMU 缓存 update_mmu_cache_range(vmf, vma, vmf->address, vmf->pte, 1);

应用场合：malloc分配内存

3.页表项为空：文件映射缺页中断

文件映射缺页中断 do_fault ()

（1）判断条件：pte 页表项中的 PRESENT 没有置位、pte 内容为空且指定了 vma->vm_ops->fault () 函数指针。do_fault () 属于在文件映射中发生的缺页中断的情况。

✔如果仅发生读错误，那么调用 do_read_fault () 函数去处理

✔如果在私有映射 VMA 中发生写保护错误且不是共享内存， do_cow_fault()

写时复制：新分配一个页面 new_page，旧页面的内容要复制到新页面中，利用新页面生成一个 PTE entry 并设置到硬件 页表项中，这就是所谓的写时复制 COW。

✔如果写保护错误发生在共享映射 VMA 中，那么就产生了脏页 do_shared_fault()

调用系统的回写机制来回写这个脏页。

（2）应用场合：

✔使用 mmap 读文件内容，例如驱动中使用 mmap 映射设备内存到用户空间等。

✔动态库映射，例如不同的进程可以通过文件映射来共享同一个动态库。

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/memory.c#L4678

以写时复制举个例子

do_fault
	do_cow_fault
		alloc_page_vma 分配新页面
		底层函数__do_fault处理页面错误
		copy_user_highpage(vmf->cow_page, vmf->page, vmf->address, vma);原页面内容复制到新页面
		__SetPageUptodate(vmf->cow_page);标记页面为已更新

4.页表项存在但页不在内存中

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/memory.c#L4983

5.页在内存中

5.1 不可写

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/memory.c#L3338

写时复制 COW 缺页中断 do_wp_page ()

• （1）do_wp_page () 最终有两种处理情况。
• reuse 复用 old_page: 私有映射匿名页，且当前进程是唯一持有者（引用计数为 1），就可以直接重用，不需要复制。 如果是共享映射（如 mmap(MAP_SHARED)），就不进行写时复制。
• gotten 写时复制：非单身匿名页面、只读或者非共享的文件映射页面。（真正COW）wp_page_copy
• （2）判断条件：pte 页表项中的 PRESENT 置位了且发生写错误缺页中断。
• （3）应用场景：
• fork: 父进程 fork 子进程，父子进程都共享父进程的匿名页面，当其中一方需要修改内容时，COW 便会发生。

5.2 可写

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/memory.c#L4999