在取指令或者數(shù)據(jù)的時候，處理器的MMU單元需要把虛擬地址轉(zhuǎn)換成物理地址漓滔。如果虛擬頁沒有映射到物理頁编饺，或者沒有訪問權(quán)限，處理器將生成頁錯誤異常响驴。
缺頁異常透且，虛擬頁沒有映射到物理頁，有以下幾種情況：
(1)訪問用戶棧的時候豁鲤，超出了當(dāng)前用戶棧的范圍秽誊，需要擴(kuò)大用戶棧。
(2)當(dāng)進(jìn)程申請?zhí)摂M內(nèi)區(qū)域的時候琳骡，通常是沒有分配物理頁锅论，進(jìn)程第一次訪問的時候觸發(fā)頁錯誤異常。
(3)內(nèi)存不足的時候楣号，內(nèi)核把進(jìn)程的匿名頁換出到交換區(qū)最易。
(4)一個文件頁被映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，內(nèi)存不足的時候炫狱，內(nèi)核回收這個文件頁藻懒，在進(jìn)程的頁表中刪除這個文件頁的映射。
(5)程序錯誤视译，訪問沒有分配給進(jìn)程的虛擬內(nèi)存區(qū)域嬉荆。
針對前四種情況，如果頁錯誤異常處理程序成功地把虛擬頁映射到物理頁酷含，處理程序返回后鄙早，處理器重新執(zhí)行觸發(fā)異常的指令。第五種異常椅亚，發(fā)送段違法信號(SIGSEGV)殺死進(jìn)程限番。
沒有訪問權(quán)限，有以下兩種情況：
(1)可能是軟件有意造成的什往，典型的例子是寫時復(fù)制：進(jìn)程分叉成子進(jìn)程的時候扳缕，為了避免復(fù)制物理頁，子進(jìn)程和父進(jìn)程以只讀的方式共享所有私有的匿名頁和文件頁别威。當(dāng)其中一個進(jìn)程試圖寫只讀頁時躯舔，觸發(fā)頁錯誤異常 ，頁錯誤異常處理程序分配新的物理頁省古，把舊的物理頁的數(shù)據(jù)復(fù)制到新的物理頁粥庄，然后把虛擬頁映射到新的物理頁。
(2)程序錯誤豺妓，例如試圖寫只讀的代碼段所在的物理頁惜互。
第一種情況布讹，如果頁錯誤異常處理程序成功地把虛擬頁映射到物理頁，處理程序返回后训堆，處理器重新執(zhí)行觸發(fā)異常的指令描验。第二種情況，頁錯誤異常處理程序?qū)l(fā)送段違法(SIGSEGV)信號殺死進(jìn)程坑鱼。
不同處理器架構(gòu)實現(xiàn)的頁錯誤異常不同膘流，頁錯誤異常處理程序的前面一部分是各種處理器架構(gòu)自定義的部分，后面從函數(shù)handle_mm_fault開始的部分是所有處理器架構(gòu)共用的部分鲁沥。
1 處理器架構(gòu)特定部分
1.1 處理頁異常錯誤
ARM64架構(gòu)的內(nèi)核定義了一個異常向量表呼股，起始地址是vectors(arch/arm64/kernel/entry.S)，每個異常向量的長度是128字節(jié)画恰，但是在Linux內(nèi)核的每個異常向量只有一條指令：跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的處理器程序彭谁。異常向量表的虛擬地址存放在異常級別1的向量基準(zhǔn)地址寄存器VBAR_EL1中。
處理器生成頁錯誤異常允扇，頁錯誤異常屬于同步異常缠局，處理器立即處理，從向量基準(zhǔn)地址寄存器得到異常向量表的虛擬地址考润，然后根據(jù)異常類型選擇對應(yīng)的異常向量甩鳄。
(1)如果異常類型是異常級別1生成的同步異常，異常向量的偏移是0x200额划，跳轉(zhuǎn)到函數(shù)el1_sync。
(2)如果異常類型是異常級別0的64bit用戶態(tài)程序生成的同步異常档泽，異常向量的偏移是0x400俊戳，跳轉(zhuǎn)到el0_sync。
(3)如果異常類型是異常級別0的32bit用戶態(tài)程序生成的同步異常馆匿，異常向量的偏移是0x600抑胎，跳轉(zhuǎn)到el0_sync_compat。
以el0_sync為例渐北，函數(shù)el0_sync根據(jù)異常級別1的異常癥狀寄存器的異常類別字段處理阿逃。
(1)如果異常類型是異常級別0生成的數(shù)據(jù)中止，即在異常級別0訪問數(shù)據(jù)時生成頁錯誤異常赃蛛，那么調(diào)用函數(shù)el0_da恃锉。
(2)如果異常類型是異常級別0生成的指令中止，即在異常級別0取指令時生成頁錯誤異常呕臂，那么調(diào)用函數(shù)el0_ia破托。
對于ARM64處理器，異常級別1的異常癥狀寄存器(ESR_EL1)用來存放異常的癥狀信息歧蒋。
EC：ESR_EL1[26:31]土砂，異常類別州既，指示引起異常的原因。
ISS：ESR_EL1[0:24]萝映，每種異常類別獨立定義這個字段吴叶。
頁錯誤異常處理程序最終都會執(zhí)行到函數(shù)do_mem_abort，該函數(shù)根據(jù)異常癥狀寄存器的指令特定癥狀字段的指令錯誤狀態(tài)碼(0~5)序臂，調(diào)用數(shù)組fault_info中的處理函數(shù)蚌卤。
static struct fault_info {
int (*fn)(unsigned long addr, unsigned int esr, struct pt_regs *regs);
int sig;
int code;
const char *name;
} fault_info[] = {
{ do_bad, SIGBUS, 0, "ttbr address size fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 1 address size fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 2 address size fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "level 3 address size fault" },
{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 0 translation fault" },
{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 1 translation fault" },
{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 2 translation fault" },
{ do_translation_fault, SIGSEGV, SEGV_MAPERR, "level 3 translation fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 8" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 1 access flag fault" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 2 access flag fault" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 3 access flag fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 12" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 1 permission fault" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 2 permission fault" },
{ do_page_fault, SIGSEGV, SEGV_ACCERR, "level 3 permission fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous external abort" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 17" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 18" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 19" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous abort (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous abort (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous abort (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous abort (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 25" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 26" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 27" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "synchronous parity error (translation table walk)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 32" },
{ do_bad, SIGBUS, BUS_ADRALN, "alignment fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 34" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 35" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 36" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 37" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 38" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 39" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 40" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 41" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 42" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 43" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 44" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 45" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 46" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 47" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "TLB conflict abort" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 49" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 50" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 51" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "implementation fault (lockdown abort)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "implementation fault (unsupported exclusive)" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 54" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 55" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 56" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 57" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 58" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 59" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 60" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "section domain fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "page domain fault" },
{ do_bad, SIGBUS, 0, "unknown 63" },
};
虛擬頁沒有映射到物理頁的情況：
(1)如果在0級、1級或2級轉(zhuǎn)換表中的匹配的表項是無效描述符贸宏，調(diào)用函數(shù)do_translation_fault來處理造寝；如果是在3級轉(zhuǎn)換表中匹配的表項是無效描述符，調(diào)用函數(shù)do_page_fault來處理吭练。
(2)如果在1級诫龙、2級或3級轉(zhuǎn)換表中匹配的表項是塊描述符或頁描述符，但是沒有設(shè)置訪問標(biāo)志鲫咽，那么調(diào)用函數(shù)do_page_fault將會為頁表項設(shè)置訪問標(biāo)志签赃。頁回收算法需要根據(jù)頁表項的訪問標(biāo)志判斷物理頁是不是剛剛被訪問過。
(3)如果是權(quán)限錯誤：在1級分尸，2級或3級轉(zhuǎn)換表中匹配的表項是塊描述符或頁描述符锦聊，但是沒有訪問權(quán)限，那么調(diào)用do_page_fault箩绍。
do_translation_fault判斷是如果觸發(fā)異常的虛擬地址是用戶虛擬地址孔庭，調(diào)用函數(shù)do_page_fault來處理；如果觸發(fā)異常的虛擬地址是內(nèi)核虛擬地址或不規(guī)范地址材蛛，調(diào)用函數(shù)do_bad_area來處理圆到。
do_page_fault中檢查不同是否在原子上下文中，以及觸發(fā)地址的權(quán)限問題卑吭。正常情況下芽淡，通過__do_page_fault處理頁錯誤異常。
禁止執(zhí)行頁錯誤異常處理程序的情況：有些系統(tǒng)調(diào)用傳入用戶空間的緩沖區(qū)豆赏，內(nèi)核使用用戶虛擬地址訪問緩沖區(qū)挣菲，可能生成頁錯誤異常；然而頁錯誤異常處理程序可能睡眠掷邦，但內(nèi)核在原子上下文中白胀，并不能睡眠；所以在原子上下文中抚岗，使用用戶虛擬地址訪問緩沖區(qū)之前纹笼，調(diào)用函數(shù)pagefault_disable禁止執(zhí)行頁錯誤異常處理程序。
__do_page_fault根據(jù)觸發(fā)異常的虛擬地址在進(jìn)程的虛擬內(nèi)存區(qū)域的紅黑樹中查找一個滿足條件的虛擬內(nèi)存區(qū)域：觸發(fā)異常的虛擬地址小于虛擬內(nèi)存區(qū)域的結(jié)束地址苟跪；沒找到虛擬內(nèi)存區(qū)域說明虛擬地址是非法的廷痘，返回VM_FAULT_BADMAP蔓涧；判斷這個區(qū)域是否是棧，是棧的話調(diào)用expand_stack笋额，擴(kuò)大棧的虛擬內(nèi)存區(qū)域元暴，擴(kuò)大成功，檢測權(quán)限兄猩，然后調(diào)用函數(shù)handle_mm_fault處理頁錯誤異常茉盏；非棧的情況下，檢查訪問權(quán)限枢冤，如果虛擬內(nèi)存區(qū)域沒有授予觸發(fā)頁錯誤異常的訪問權(quán)限鸠姨，然后調(diào)用handle_mm_fault。
最終在虛擬地址合法淹真，權(quán)限正常的情況下都會調(diào)用到handle_mm_fault函數(shù)處理頁錯誤異常讶迁。
2 用戶空間頁錯誤異常
從函數(shù)handle_mm_fault開始的部分是所有處理器架構(gòu)共用的部分，函數(shù)handle_mm_fault負(fù)責(zé)處理用戶空間的頁錯誤異常核蘸。用戶空間頁錯誤異常是指進(jìn)程訪問用戶虛擬地址生成的頁錯誤異常巍糯，分兩種情況：
(1)進(jìn)程在用戶模式下訪問用戶虛擬地址，生成頁錯誤異常客扎。
(2)進(jìn)程在內(nèi)核模式下訪問用戶虛擬地址祟峦，生成頁錯誤異常。
handle_mm_fault主要流程：創(chuàng)建觸發(fā)異常的虛擬地址對應(yīng)的各級頁表的頁表項徙鱼，然后調(diào)用handle_pte_fault宅楞。
2.1 handle_pte_fault
handle_pte_fault執(zhí)行流程如下:
handle_pte_fault
-->頁表項無效的情況下：處理頁表項無效
-->私有匿名映射 -->do_anonymous_page
-->文件映射/共享匿名映射 -->do_fault
-->頁不在內(nèi)存中-->do_swap_page
-->頁在內(nèi)存中：處理頁在內(nèi)存中的情況
-->處理寫訪問的情況
-->頁表項沒有設(shè)置寫權(quán)限位-->執(zhí)行寫時復(fù)制(do_wp_page)
-->pte_mkdirty
-->pte_mkyoung
-->ptep_set_access_flags
-->頁表項是否變化
-->是：update_mmu_cache
-->否：flush_tlb_fix_spurious_fault
2.2 匿名頁的缺頁異常
以下三種情況下會觸發(fā)匿名頁的缺頁異常：
(1)函數(shù)的局部變量比較大，或者函數(shù)調(diào)用的層次比較深袱吆，導(dǎo)致當(dāng)前棧不夠用咱筛，需要擴(kuò)大棧。
(2)進(jìn)程調(diào)用malloc杆故，從堆申請了內(nèi)存塊，只分配虛擬內(nèi)存區(qū)域溉愁，還沒有映射到物理頁处铛，第一次訪問時觸發(fā)缺頁異常。
(3)進(jìn)程直接調(diào)用mmap拐揭，創(chuàng)建匿名的內(nèi)存映射撤蟆，只分配了虛擬內(nèi)存區(qū)域，還沒映射到物理頁堂污，第一次訪問時觸發(fā)缺頁異常家肯。
2.3 文件頁的缺頁異常
以下兩種情況下會觸發(fā)文件頁的缺頁異常:
(1)啟動程序的時候，內(nèi)核為程序的代碼段和數(shù)據(jù)段創(chuàng)建私有的文件映射盟猖，映射到進(jìn)程的虛擬地址空間讨衣，第一次訪問時换棚，觸發(fā)文件頁的缺頁異常。
(2)進(jìn)程使用mmap創(chuàng)建文件映射反镇，把文件的一個區(qū)間映射到進(jìn)程的虛擬地址空間固蚤，第一次訪問時，觸發(fā)文件的缺頁異常歹茶。
do_fault的執(zhí)行流程:
do_fault
-->沒有提供vma->vm_ops->fault夕玩，返回VM_FAULT_SIGBUS
-->讀文件頁錯誤，do_read_fault
-->寫私有文件頁錯誤惊豺，do_cow_fault
-->寫共享文件頁錯誤燎孟，do_shared_fault
2.3.1處理讀文件頁錯誤
(1)把文件頁從存儲設(shè)備上的文件系統(tǒng)讀到文件的頁緩存(每個文件有一個緩存，因為以頁為單位尸昧，所以稱為頁緩存)揩页。
(2)設(shè)置進(jìn)程的頁表項彻磁，把虛擬頁映射到文件的頁緩存中的物理頁碍沐。
2.3.2處理寫私有文件錯誤
(1)把文件從存儲設(shè)備上的文件系統(tǒng)讀到文件的頁緩存中。
(2)執(zhí)行寫時復(fù)制衷蜓，為文件的頁緩存中的物理頁創(chuàng)建一個副本斋陪，這個副本是進(jìn)程的私有匿名頁无虚，和文件脫離關(guān)系友题，修改副本不會導(dǎo)致文件變化度宦。
(3)設(shè)備進(jìn)程的頁表項，把虛擬頁映射到副本告匠。
2.3.3處理寫共享文件錯誤
(1)把文件頁從存儲設(shè)備上的文件系統(tǒng)讀到文件的頁緩存中戈抄。
(2)設(shè)置進(jìn)程的頁表項，把虛擬頁映射到文件的頁緩存中的物理頁后专。
2.3.4 寫時復(fù)制
寫時復(fù)制的兩個場景：
(1)進(jìn)程分叉成子進(jìn)程的時候划鸽，為了避免復(fù)制物理頁，子進(jìn)程和父進(jìn)程以只讀的方式共享所有私有的匿名頁和文件頁。當(dāng)其中一個進(jìn)程試圖寫只讀頁時裸诽，觸發(fā)頁錯誤異常嫂用，頁錯誤異常處理程序分配新的物理頁，把舊的物理頁的數(shù)據(jù)復(fù)制到新的物理頁崭捍，然后把虛擬頁映射到新的物理頁上尸折。
(2)進(jìn)程創(chuàng)建私有的文件映射，然后讀訪問殷蛇，觸發(fā)頁錯誤異常实夹，異常處理程序把文件讀到頁緩存，然后以只讀模式把虛擬頁映射到文件的頁緩存中的物理頁粒梦。接著執(zhí)行寫訪問亮航，觸發(fā)頁錯誤異常，異常處理程序執(zhí)行寫時復(fù)制匀们，為文件的頁緩存中的物理頁創(chuàng)建一個副本缴淋，把虛擬頁映射到副本。這個副本是進(jìn)程的私有匿名頁泄朴，和文件脫離關(guān)系重抖，修改副本不會導(dǎo)致文件變化。
3 內(nèi)核模式頁錯誤異常
內(nèi)核訪問內(nèi)核虛擬地址祖灰，正常情況下不會出現(xiàn)虛擬頁沒有映射到物理頁的狀況钟沛，內(nèi)核使用線性映射區(qū)域的虛擬地址，在內(nèi)存管理子系統(tǒng)初始化的時候就會把虛擬地址映射到物理地址局扶；運行過程中恨统，可能使用vmalloc函數(shù)從vmalloc區(qū)域分配虛擬內(nèi)存區(qū)域，vmalloc函數(shù)會分配并且映射到物理頁三妈。如果出現(xiàn)虛擬頁沒有映射到物理頁的情況畜埋，一定是程序錯誤，內(nèi)核將會崩潰畴蒲。
內(nèi)核可能訪問用戶虛擬地址悠鞍，進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核模式，有些系統(tǒng)調(diào)用會傳入用戶空間的緩沖區(qū)模燥，內(nèi)核必須使用頭文件uaccess.h定義的專用函數(shù)訪問用戶空間的緩沖區(qū)咖祭，這些專用函數(shù)在異常表中添加了可能觸發(fā)異常的指令地址和異常修正程序的地址。
在內(nèi)核模式下執(zhí)行時觸發(fā)頁錯誤異常涧窒，ARM64架構(gòu)內(nèi)核的處理流程如下：
(1)如果不允許內(nèi)核執(zhí)行用戶空間的指令，那么進(jìn)程在內(nèi)核模式下試圖執(zhí)行用戶空間的指令時锭亏，內(nèi)核崩潰纠吴。
(2)如果進(jìn)程在內(nèi)核模式下訪問用戶虛擬地址，那么先使用函數(shù)__do_page_fault處理慧瘤；如果處理失敗戴已，最后通過__do_kernel_fault處理固该。
(3)其他情況使用函數(shù)__do_kernel_fault處理。
__do_kernel_fault針對數(shù)據(jù)的訪問觸發(fā)的異常糖儡，嘗試在異常表中查找異常修成程序伐坏。如果找到異常修正程序，把保存在內(nèi)核棧中的異常鏈接寄存器(ELR_EL1)的值改為異常修正程序的虛擬地址握联。當(dāng)異常處理程序返回時桦沉，處理器把程序計數(shù)器設(shè)置成異常鏈接寄存器的值，執(zhí)行異常修正程序金闽。
