背景

Read the fucking source code! --By 魯迅
A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

Kernel版本：4.14
ARM64處理器，Contex-A53，雙核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

上篇文章分析到malloc/mmap函式中，內核實作只是在行程的地址空間建立好了vma區域，并沒有實際的虛擬地址到物理地址的映射操作，這部分就是在Page Fault例外錯誤處理中實作的，

Linux內核中的Page Fault例外處理很復雜，涉及的細節也很多，malloc/mmap的物理記憶體映射只是它的一個子集功能，下圖大概涵蓋了出現Page Fault的情況：

下邊就開始來啃啃硬骨頭吧，

2. Arm64處理

Page Fault的例外處理，依賴于體系結構，因此有必要來介紹一下Arm64的處理，
代碼主要參考：arch/arm64/kernel/entry.S，

Arm64在取指令或者訪問資料時，需要把虛擬地址轉換成物理地址，這個程序需要進行幾種檢查，在不滿足的情況下都能造成例外：

地址的合法性，比如以39有效位地址為例，內核地址的高25位為全1，用戶行程地址的高25位為全0；
地址的權限檢查，這里邊的權限位都位于頁表條目中；

從上圖中可以看到，最后都會調到do_mem_abort函式，這個函式比較簡單，直接看代碼，位于arch/arm64/mm/fault.c：

/*
 * Dispatch a data abort to the relevant handler.
 */
asmlinkage void __exception do_mem_abort(unsigned long addr, unsigned int esr,
					 struct pt_regs *regs)
{
	const struct fault_info *inf = esr_to_fault_info(esr);
	struct siginfo info;

	if (!inf->fn(addr, esr, regs))
		return;

	pr_alert("Unhandled fault: %s (0x%08x) at 0x%016lx\n",
		 inf->name, esr, addr);

	mem_abort_decode(esr);

	info.si_signo = inf->sig;
	info.si_errno = 0;
	info.si_code  = inf->code;
	info.si_addr  = (void __user *)addr;
	arm64_notify_die("", regs, &info, esr);
}

該函式中關鍵的處理：根據傳進來的esr獲取fault_info資訊，從而去呼叫函式，struct fault_info用于錯誤狀態下對應的處理方法，而內核中也定義了全域結構fault_info，存放了所有的情況，
主要的錯誤狀態和處理函式對應如下：

static const struct fault_info 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"	},
     ...
};

從代碼中可以看出：

出現0/1/2/3級頁表轉換錯誤時，會呼叫do_translation_fault，實際中do_translation_fault最終也會呼叫到do_page_fault；
出現1/2/3級頁表訪問權限的時候，會呼叫do_page_fault；
其他的錯誤則呼叫do_bad，其中未列出來的部分還包括do_sea等操作函式；

do_translation_fault

do_page_fault

do_page_fault函式為頁錯誤例外處理的核心函式，與體系結構相關，上圖中的handle_mm_fault函式為通用函式，也就是不管哪種處理器結構，最終都會呼叫到該函式，

3. `handle_mm_fault`

handle_mm_fault用于處理用戶空間的頁錯誤例外：

行程在用戶模式下訪問用戶虛擬地址，觸發頁錯誤例外；
行程在內核模式下訪問用戶虛擬地址，觸發頁錯誤例外；
從do_page_fault函式的流程圖中也能看出來，當觸發例外的虛擬地址屬于某個vma，并且擁有觸發頁錯誤例外的權限時，會呼叫到handle_mm_fault函式，而handle_mm_fault函式的主要邏輯是通過__handle_mm_fault來實作的，

流程如下圖：