內(nèi)核態(tài)的page fault？

前段時間有同事問了個問題：內(nèi)核中是否可能發(fā)生page fault？

一時沒能給出準確答案，當即有種感覺：難道是對內(nèi)核內(nèi)存管理的理解還不夠，之前在這方面還是比較自信的～

問題看似很簡單，從之前的理解來看，以經(jīng)典的32位X86為例，內(nèi)核態(tài)低端地址都是線性映射的，頁表都是事先(內(nèi)核初始化時)創(chuàng)建好的，對于這段地址，應該不會發(fā)生page fault；但對于vmalloc區(qū)，是通過頁表動態(tài)映射的，這部分顯然是可能發(fā)生缺頁的。

看似問題有答案了，但TX問的不是針對內(nèi)核態(tài)地址發(fā)送的缺頁，而是：在內(nèi)核態(tài)下，對用戶態(tài)地址的訪問，是否發(fā)生page fault？

我追問了一句：什么情況下，內(nèi)核態(tài)需要訪問用戶態(tài)地址？ 回答：比如copy_from_user.

問題清晰了，這種情況下，可能發(fā)生缺頁嗎？

硬件層面

從硬件層面上來說，當CPU做訪問操作時，MMU硬件會遍歷頁表，查找匹配的映射條目，如果沒有找到，就會自動觸發(fā)page fault。

所以，從這個角度看，只要copy_from_user參數(shù)中的用戶態(tài)地址對應的頁表項不存在，就會產(chǎn)生page fault。

不應該發(fā)生吧？

換個角度，內(nèi)核要使用copy_from_user從用戶態(tài)拷貝數(shù)據(jù)時，按理數(shù)據(jù)應該都已經(jīng)準備好了吧，也就是說相應的內(nèi)存(物理)應該都已經(jīng)分配好了把，不應該發(fā)生page fault了吧？

正常情況下，的確如此，但萬一內(nèi)核非要訪問未映射的用戶態(tài)地址呢？萬一用戶態(tài)數(shù)據(jù)此時沒有準備好呢？誰能保證？

所以，雖然不應該發(fā)生，但還是可能發(fā)送的。

有什么不一樣么？

這種情況下，在內(nèi)核中發(fā)生的page fault，與平常我們見到的在用戶態(tài)發(fā)生的page fault有什么不同么？

在用戶態(tài)時，發(fā)生缺頁時，CPU硬件會切換到到特權模式(內(nèi)核態(tài))，進行異常處理；在內(nèi)核態(tài)時發(fā)生缺頁，由于當前本來就出于內(nèi)核態(tài)，所以處理方式肯定會有不同。這也許只是一方面，應該還有其它不同～

如何處理的？

在page fault的流程中針對Vmalloc區(qū)發(fā)生的缺頁有專門的處理，可以參見vmalloc_fault函數(shù)。

那對于copy_from_user的情況呢？

肯定的。其實就是do_page_fault流程中exception table相關的處理，之前對這里的代碼沒有仔細理解清楚，原來就是用來處理這種情況的。

為什么要用copy_from_user?

還是回到老問題，為什么要用copy_from_user，按理解，拷貝數(shù)據(jù)，不就是從一個地址搬移數(shù)據(jù)到另一個地址，用memcpy不就好了？

就是因為可能發(fā)生page fault的情況，memcpy對這種情況沒有任何的處理措施，可能引發(fā)不可知的后果。

而copy_from_user對這種情況進行了處理，處理方式就是在代碼中增加了一個.fixup的段，該段在do_page_fault中會被讀取，結合exception table進行相應的修正，具體修正方式，沒時間深入研究了，感興趣可以繼續(xù)看看。

copy_from_user代碼如下：

static unsigned long __copy_user_intel(void __user *to, const void *from, unsigned long size) {int d0, d1;__asm__ __volatile__(" .align 2,0x90\n""1: movl 32(%4), %%eax\n"" cmpl $67, %0\n"" jbe 3f\n""2: movl 64(%4), %%eax\n"" .align 2,0x90\n""3: movl 0(%4), %%eax\n""4: movl 4(%4), %%edx\n""5: movl %%eax, 0(%3)\n""6: movl %%edx, 4(%3)\n""7: movl 8(%4), %%eax\n""8: movl 12(%4),%%edx\n""9: movl %%eax, 8(%3)\n""10: movl %%edx, 12(%3)\n""11: movl 16(%4), %%eax\n""12: movl 20(%4), %%edx\n""13: movl %%eax, 16(%3)\n""14: movl %%edx, 20(%3)\n""15: movl 24(%4), %%eax\n""16: movl 28(%4), %%edx\n""17: movl %%eax, 24(%3)\n""18: movl %%edx, 28(%3)\n""19: movl 32(%4), %%eax\n""20: movl 36(%4), %%edx\n""21: movl %%eax, 32(%3)\n""22: movl %%edx, 36(%3)\n""23: movl 40(%4), %%eax\n""24: movl 44(%4), %%edx\n""25: movl %%eax, 40(%3)\n""26: movl %%edx, 44(%3)\n""27: movl 48(%4), %%eax\n""28: movl 52(%4), %%edx\n""29: movl %%eax, 48(%3)\n""30: movl %%edx, 52(%3)\n""31: movl 56(%4), %%eax\n""32: movl 60(%4), %%edx\n""33: movl %%eax, 56(%3)\n""34: movl %%edx, 60(%3)\n"" addl $-64, %0\n"" addl $64, %4\n"" addl $64, %3\n"" cmpl $63, %0\n"" ja 1b\n""35: movl %0, %%eax\n"" shrl $2, %0\n"" andl $3, %%eax\n"" cld\n""99: rep; movsl\n""36: movl %%eax, %0\n""37: rep; movsb\n""100:\n"".section .fixup,\"ax\"\n""101: lea 0(%%eax,%0,4),%0\n"" jmp 100b\n"".previous\n"_ASM_EXTABLE(1b,100b)_ASM_EXTABLE(2b,100b)_ASM_EXTABLE(3b,100b)_ASM_EXTABLE(4b,100b)_ASM_EXTABLE(5b,100b)_ASM_EXTABLE(6b,100b)_ASM_EXTABLE(7b,100b)_ASM_EXTABLE(8b,100b)_ASM_EXTABLE(9b,100b)_ASM_EXTABLE(10b,100b)_ASM_EXTABLE(11b,100b)_ASM_EXTABLE(12b,100b)_ASM_EXTABLE(13b,100b)_ASM_EXTABLE(14b,100b)_ASM_EXTABLE(15b,100b)_ASM_EXTABLE(16b,100b)_ASM_EXTABLE(17b,100b)_ASM_EXTABLE(18b,100b)_ASM_EXTABLE(19b,100b)_ASM_EXTABLE(20b,100b)_ASM_EXTABLE(21b,100b)_ASM_EXTABLE(22b,100b)_ASM_EXTABLE(23b,100b)_ASM_EXTABLE(24b,100b)_ASM_EXTABLE(25b,100b)_ASM_EXTABLE(26b,100b)_ASM_EXTABLE(27b,100b)_ASM_EXTABLE(28b,100b)_ASM_EXTABLE(29b,100b)_ASM_EXTABLE(30b,100b)_ASM_EXTABLE(31b,100b)_ASM_EXTABLE(32b,100b)_ASM_EXTABLE(33b,100b)_ASM_EXTABLE(34b,100b)_ASM_EXTABLE(35b,100b)_ASM_EXTABLE(36b,100b)_ASM_EXTABLE(37b,100b)_ASM_EXTABLE(99b,101b): "=&c"(size), "=&D" (d0), "=&S" (d1): "1"(to), "2"(from), "0"(size): "eax", "edx", "memory");return size; }

代碼整體上跟memcpy實現(xiàn)差不多，主要差別就是fixup段了，感興趣的TX可以對比看看。

原文地址：?http://happyseeker.github.io/kernel/2016/12/30/page-fault-in-kernel.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的内核中的page fault copy_from_user的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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