頁故障處理

新建進程的虛擬地址空間是按Copy on Write方式從創建者進程中複製的，屬於共享的虛擬地址空間，試圖向其中寫數據的操作必然會違反頁表的保護約定，導致處理器產生頁故障（Page fault）異常。

在進程剛載入完新程式之後，它的虛擬地址空間幾乎是空的。載入操作僅在虛擬地址空間與執行檔（包括共享庫檔案）之間建立了映射關係，並未真正將檔案的內容讀入記憶體。進程對虛擬地址空間的讀、寫、執行操作都會引起頁故障異常。

當然，進程執行過程中的非法記憶體訪問，如試圖存取核心數據或訪問無效虛擬地址等，也會引起頁故障異常。

頁故障異常是處理器提供給作業系統的重要管理機制，是虛擬記憶體得以實現的基礎。如果沒有頁故障異常，諸如寫時複製、按需載入、記憶體保護等機制都將無法實現。

基本介紹

• 中文名：頁故障處理
• 外文名：Page fault handling

頁故障異常處理流程

當頁故障異常發生時，處理器必須離開當前的工作，轉去處理異常。頁故障異常處理程式需要知道下列信息：

（1）異常發生時處理器所在的地址空間或特權級。

（2）引起頁故障異常的虛擬地址，可能是下一條指令的地址也可能是當前指令欲訪問的數據地址。

（3）引起頁故障異常的原因，如虛擬頁不在記憶體（缺頁）、虛擬頁不許寫等。由於引起頁故障異常的原因大多是缺頁，因而頁故障異常又稱為缺頁異常。

處理器為頁故障異常的處理提供了上述信息。當頁故障異常發生時，處理器會自動在當前進程的系統堆疊上壓入EFLAGS、CS、EIP和錯誤代碼，用於指示異常產生的環境和異常產生的原因，與此同時，處理器還在CR2暫存器中存入了引起頁故障異常的虛擬地址。

頁故障異常必須由作業系統核心處理。系統初始化程式已在IDT表中為頁故障異常創建了中斷門，入口程式是page_fault，真正的處理程式是do_page_fault。每當頁故障異常發生時，處理器都會離開當前的工作，轉去執行do_page_fault。

非法訪問頁故障處理

頁故障異常發生時，下列情況屬於非法記憶體訪問：

（1）故障地址對應的頁目錄或頁表項中的保留位被置1。正常情況下，頁目錄或頁表項中的保留位（如頁目錄項中的第6位、頁表項中的第7位）應保持為0，這些位為1表明當前進程的頁表已被破壞。

（2）故障地址在用戶空間、處理器在執行中斷處理程式。由於中斷的異步性，無法預知被中斷的當前進程，因而在中斷處理程式（包括硬處理和軟處理程式）中不應訪問進程的用戶虛擬地址。

（3）故障地址在用戶空間、處理器在執行核心執行緒。核心執行緒永遠運行在核心中，沒有自己的虛擬地址空間，它對用戶虛擬地址的訪問肯定是非法的。

（4）故障地址在核心空間、處理器在執行用戶程式。按照Linux的約定，用戶程式的特權級都是3，核心程式和數據的特權級都是0，用戶程式直接調用核心程式或訪問核心數據都是非法的。

（5）故障地址在用戶空間且是無效的。進程的有效虛擬地址都位於它的虛擬記憶體區域中，在所有區域之外的用戶虛擬地址都是無效的。

（6）進程對故障地址的訪問方式不符契約定。進程對各虛擬地址的訪問約定記錄在它的虛擬記憶體區域中，試圖向不可寫區域中寫數據的操作是非法的，試圖訪問不可讀、寫、執行區域的任何操作都是非法的。

對非法記憶體訪問的處理方法如下：

（1）如果頁故障發生時處理器正在用戶空間執行程式，則向當前進程傳送信號SIGSEGV，而後返回。在返回用戶態之前，進程會處理該信號。如果進程註冊了SIGSEGV信號的處理程式，該程式將先被執行；如果進程未註冊SIGSEGV信號的處理程式，核心將把它殺死。

（2）如果頁故障發生時處理器正在核心空間執行程式，則搜尋異常列表（在節_ex_table中），看有沒有為該異常預定處理程式(見4.2.2節)：

①如有，則重置棧頂的ip，而後返回。返回操作會跳轉到預定的處理程式，由該程式處理此次的頁故障異常。

②如無，則顯示與故障相關的現場信息，如指令地址、故障地址、頁表項、堆疊等，而後終止進程。

有效用戶頁故障處理

如果引起頁故障異常的是用戶態的有效虛擬地址，且程式對它的訪問方式是合法的，則應該設法處理該異常，使虛擬地址生效，以便程式能夠正常執行下去。為此需要對該類合法頁故障異常做進一步地分析，以便明確原因，確定處理方法。

確定處理方法的依據是頁目錄/頁表項、錯誤代碼和虛擬記憶體區域（尤其是其操作集中的fault操作）。根據頁故障地址addr可以算出它所在的虛擬頁，查當前進程的頁目錄、頁表可以找到該虛擬頁對應的頁表項。如果在查找過程中發現頁表不存在，則要臨時為其創建一個新的頁表。事實上，進程的頁表都是動態創建的，新建頁表中的所有頁表項都是0。

1.線性檔案映射頁的故障處理

在為進程載入可執行程式或映射數據檔案時，已建立了虛擬記憶體區域與檔案區間之間的映射關係，但未將檔案的內容讀入物理記憶體，或者說還未建立起進程虛擬頁與物理記憶體頁之間的映射關係（頁表項為0）。當進程訪問這些虛擬頁時，自然會產生頁故障異常。對這類頁故障的處理思路十分明確：找到虛擬頁對應的檔案頁，將其讀入物理記憶體，而後修改頁表項，將虛擬頁映射到新讀入的檔案頁即可。此後，當進程再次訪問故障地址addr時，處理器便能順利地將其轉換成正確的物理地址，訪問到正確的檔案內容。

2.非線性檔案映射頁的故障處理

正常情況下，虛擬記憶體區域與檔案區間之間的映射關係是線性的，區域中的第i個虛擬頁對應區間中的第i個檔案頁。但從2.5版之後，Linux允許建立非線性映射關係（通過系統調用remap_file_pages），即允許將區域中的某些虛擬頁映射到檔案的其它位置（區間內的其它頁或區間外的某頁）。為了記錄這些非線性虛擬頁的映射位置，Linux對這些頁的頁表項進行了特殊設定：

（1）頁表項的P位被清0；

（2）頁表項的D位被置1（當P為0時，D是未用的，可將其復用為F標誌）；

（3）檔案頁的頁號被記錄在頁表項的其餘各位中。

與線性檔案映射頁相似，當非線性檔案映射頁出現頁故障時，說明與之對應的檔案頁還未讀入記憶體，應該將其讀入並修改頁表項。

3.匿名頁的故障處理

匿名頁屬於匿名區域（如進程的用戶堆疊、堆等），沒有對應的映射檔案，其內容是動態生成的。匿名頁出現頁故障說明還未為其分配物理頁，處理的方法是為出現故障的匿名頁指派一個內容全部為0的物理頁。

4.寫時複製頁的故障處理

寫時複製（Copy on Write）頁是應該在進程創建時複製而沒有複製的頁，它們在物理記憶體中，包含它們的虛擬記憶體區域允許寫但頁表項表示它們不允許寫。寫時複製頁出現頁故障說明進程對其實施了寫操作，應該為其創建一個副本。

有效核心頁故障處理

如果引起頁故障異常的虛擬地址位於核心空間，而且程式對它的訪問是合法的，那么訪問者肯定是核心本身。正常情況下，核心程式對核心空間的訪問不應該出現頁故障，除非引起故障的地址位於VMALLOC_START和VMALLOC_END之間。

VMALLOC_START和VMALLOC_END之間的地址是為邏輯記憶體管理器預留的，大小為128MB。與kmap空間不同，在系統初始化時，Linux並未為預留的邏輯記憶體管理空間建立頁表。因而，初始情況下，在所有進程的頁目錄中，這塊地址空間所對應的頁目錄項都是空的。當核心申請邏輯頁塊時，邏輯記憶體管理器會根據需要動態地建立頁表，但僅會將新頁表插入到第0號進程的頁目錄（init_mm.pgd）中，並未修改其餘進程的頁目錄。當核心在這些進程的上下文中運行且訪問到邏輯頁塊時，自然會引起頁故障異常。

有效核心頁的故障處理方法十分簡單，同步一下當前進程的頁目錄即可。同步的方法是：找到故障地址在第0號進程中的頁目錄項，將其拷貝到當前進程的頁目錄中。

另外，當核心提升某個頁面的訪問許可權（如將唯讀頁改為可讀寫頁）時，由於未及時刷新其它處理器的TLB，也有可能出現頁故障異常。這類頁故障也是有效的，只要刷新處理器的TLB即可解決。