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      linux源码解析10–缺页异常之写时复制

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      linux源码解析10–缺页异常之写时复制

      2023-03-08 10:52:50 阅读次数:297

      linux

      本篇解析缺页异常分支之一, 写时复制缺页异常 ;

      1.写时复制缺页异常触发条件

      (1)pte页表项的PRESENT置位
      (2)pte表项为不为空
      (3)vma可写,pte只读,进行写操作

      2.应用场景

      (1)进程fork子进程的时候,为了避免复制物理页,父子进程以只读的方式共享所有的 私有的匿名页和文件页 ,当父子进程有一方试图去写只读页时,触发写时复制缺页异常,内核会分配新的物理页,拷贝旧的物理页到新页,然后把新页映射虚拟页;

      (2)进程创建私有匿名映射,读之后写(读映射到0页,写发生COW);

      (3)进程创建私有文件映射,读之后写(读映射到page cache, 写发生COW);

      3.fork时做的准备

      dup_mm
      ->dum_mmap
      ->copy_page_range
      ...
      	->copy_pte_range
      	->copy_present_pte
      	->if(is_cow_mapping(vm_flags)&&pte_write(pte)) 
      	{
      		ptep_set_wrprotect(src_mm, addr, src_pet);
      		pte = pte_wrpotect(pte);
      	}
      

      可见,对于私有的可写的页,fork时,将父子进程的页表改为只读.

      注:子进程会创建一套独立新页表,只是PTE页表的内容,跟父进程页表完全一样。当先访问进程触发缺页异常时,修改的知识PTE页表,L0~2级页表是不变的。

      4.两个重要函数

      4.1 wp_page_copy()写时复制函数

      static vm_fault_t wp_page_copy(struct vm_fault *vmf)
      {
      	struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
      	struct mm_struct *mm = vma->vm_mm;
      	struct page *old_page = vmf->page;
      	struct page *new_page = NULL;
      	pte_t entry;
      	int page_copied = 0;
      	struct mmu_notifier_range range;
      
      	if (unlikely(anon_vma_prepare(vma))) ///检查VMA是否初始化了RMAP
      		goto oom;
      
      	if (is_zero_pfn(pte_pfn(vmf->orig_pte))) { ///PTE如果是系统零页,分配一个内容全零的页面
      		new_page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma,
      							      vmf->address);
      		if (!new_page)
      			goto oom;
      	} else {   ///分配一个新物理页面,并且把old_page内容复制到new_page中
      		new_page = alloc_page_vma(GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vma,
      				vmf->address);
      		if (!new_page)
      			goto oom;
      
      		if (!cow_user_page(new_page, old_page, vmf)) {
      			/*
      			 * COW failed, if the fault was solved by other,
      			 * it's fine. If not, userspace would re-fault on
      			 * the same address and we will handle the fault
      			 * from the second attempt.
      			 */
      			put_page(new_page);
      			if (old_page)
      				put_page(old_page);
      			return 0;
      		}
      	}
      
      	if (mem_cgroup_charge(new_page, mm, GFP_KERNEL))
      		goto oom_free_new;
      	cgroup_throttle_swaprate(new_page, GFP_KERNEL);
      
      	__SetPageUptodate(new_page);   ///设置PG_uptodate, 表示内容有效
      
      	///注册一个mmu_notifier,并告知系统使dd_page无效
      	mmu_notifier_range_init(&range, MMU_NOTIFY_CLEAR, 0, vma, mm,
      				vmf->address & PAGE_MASK,
      				(vmf->address & PAGE_MASK) + PAGE_SIZE);
      	mmu_notifier_invalidate_range_start(&range);
      
      	/*
      	 * Re-check the pte - we dropped the lock
      	 */ ///重新读取PTE,并判定是否修改
      	vmf->pte = pte_offset_map_lock(mm, vmf->pmd, vmf->address, &vmf->ptl);
      	if (likely(pte_same(*vmf->pte, vmf->orig_pte))) {
      		if (old_page) {
      			if (!PageAnon(old_page)) {   ///如果oldpage是文件映射
      				dec_mm_counter_fast(mm,
      						mm_counter_file(old_page));     ///减少一个文件映射页面技术
      				inc_mm_counter_fast(mm, MM_ANONPAGES);  ///增加匿名页面计数
      			}
      		} else {
      			inc_mm_counter_fast(mm, MM_ANONPAGES);
      		}
      		flush_cache_page(vma, vmf->address, pte_pfn(vmf->orig_pte));
      		entry = mk_pte(new_page, vma->vm_page_prot);
      		entry = maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry), vma);  ///利用new_page生成一个新PTE
      
      		/*
      		 * Clear the pte entry and flush it first, before updating the
      		 * pte with the new entry, to keep TLBs on different CPUs in
      		 * sync. This code used to set the new PTE then flush TLBs, but
      		 * that left a window where the new PTE could be loaded into
      		 * some TLBs while the old PTE remains in others.
      		 */
      		ptep_clear_flush_notify(vma, vmf->address, vmf->pte);        ///刷新这个页面的TLB
      		page_add_new_anon_rmap(new_page, vma, vmf->address, false);  ///new_page添加到RMAP系统中
      		lru_cache_add_inactive_or_unevictable(new_page, vma);        ///new_page添加到LRU链表中
      		/*
      		 * We call the notify macro here because, when using secondary
      		 * mmu page tables (such as kvm shadow page tables), we want the
      		 * new page to be mapped directly into the secondary page table.
      		 */
      		set_pte_at_notify(mm, vmf->address, vmf->pte, entry);  ///新pte设置到硬件PTE中
      		update_mmu_cache(vma, vmf->address, vmf->pte);
      		if (old_page) {   ///准备释放old_page,真正释放操作在page_cache_release()函数
      			/*
      			 * Only after switching the pte to the new page may
      			 * we remove the mapcount here. Otherwise another
      			 * process may come and find the rmap count decremented
      			 * before the pte is switched to the new page, and
      			 * "reuse" the old page writing into it while our pte
      			 * here still points into it and can be read by other
      			 * threads.
      			 *
      			 * The critical issue is to order this
      			 * page_remove_rmap with the ptp_clear_flush above.
      			 * Those stores are ordered by (if nothing else,)
      			 * the barrier present in the atomic_add_negative
      			 * in page_remove_rmap.
      			 *
      			 * Then the TLB flush in ptep_clear_flush ensures that
      			 * no process can access the old page before the
      			 * decremented mapcount is visible. And the old page
      			 * cannot be reused until after the decremented
      			 * mapcount is visible. So transitively, TLBs to
      			 * old page will be flushed before it can be reused.
      			 */
      			page_remove_rmap(old_page, false);
      		}
      
      		/* Free the old page.. */
      		new_page = old_page;
      		page_copied = 1;
      	} else {
      		update_mmu_tlb(vma, vmf->address, vmf->pte);
      	}
      
      	if (new_page)
      		put_page(new_page);
      
      	pte_unmap_unlock(vmf->pte, vmf->ptl);
      	/*
      	 * No need to double call mmu_notifier->invalidate_range() callback as
      	 * the above ptep_clear_flush_notify() did already call it.
      	 */
      	mmu_notifier_invalidate_range_only_end(&range);
      	if (old_page) {
      		/*
      		 * Don't let another task, with possibly unlocked vma,
      		 * keep the mlocked page.
      		 */
      		if (page_copied && (vma->vm_flags & VM_LOCKED)) {
      			lock_page(old_page);	/* LRU manipulation */
      			if (PageMlocked(old_page))
      				munlock_vma_page(old_page);
      			unlock_page(old_page);
      		}
      		put_page(old_page);
      	}
      	return page_copied ? VM_FAULT_WRITE : 0;
      oom_free_new:
      	put_page(new_page);
      oom:
      	if (old_page)
      		put_page(old_page);
      	return VM_FAULT_OOM;
      }
      

      4.2 wp_page_reuse()页面复用函数

      当发生COW缺页异常时,发现这个匿名页只被映射到一个vma中,则不再发生写时复制,如果vma属性为可写,直接修改页表为可写。

      static inline void wp_page_reuse(struct vm_fault *vmf)
      	__releases(vmf->ptl)
      {
      	struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
      	struct page *page = vmf->page; ///获取缺页异常页面
      	pte_t entry; 
      	/*
      	 * Clear the pages cpupid information as the existing
      	 * information potentially belongs to a now completely
      	 * unrelated process.
      	 */
      	if (page)
      		page_cpupid_xchg_last(page, (1 << LAST_CPUPID_SHIFT) - 1);
      
      	flush_cache_page(vma, vmf->address, pte_pfn(vmf->orig_pte));  	   ///刷新缺页异常页面的高速缓存
      	entry = pte_mkyoung(vmf->orig_pte);                           	   ///设置PTE的AF位
      	entry = maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry), vma);               	   ///设置可写,置脏位
      	if (ptep_set_access_flags(vma, vmf->address, vmf->pte, entry, 1))  ///设置新PTE到实际页表中
      		update_mmu_cache(vma, vmf->address, vmf->pte);
      	pte_unmap_unlock(vmf->pte, vmf->ptl);
      	count_vm_event(PGREUSE);
      }
      

      5.写时复制过程解析:

      写时复制过程流程图

      linux源码解析10–缺页异常之写时复制

      源码解析

      static vm_fault_t do_wp_page(struct vm_fault *vmf)
      	__releases(vmf->ptl)
      {
      	struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
      
      	if (userfaultfd_pte_wp(vma, *vmf->pte)) {
      		pte_unmap_unlock(vmf->pte, vmf->ptl);
      		return handle_userfault(vmf, VM_UFFD_WP);
      	}
      
      	/*
      	 * Userfaultfd write-protect can defer flushes. Ensure the TLB
      	 * is flushed in this case before copying.
      	 */
      	if (unlikely(userfaultfd_wp(vmf->vma) &&
      		     mm_tlb_flush_pending(vmf->vma->vm_mm)))
      		flush_tlb_page(vmf->vma, vmf->address);
      
      	vmf->page = vm_normal_page(vma, vmf->address, vmf->orig_pte); ///查找缺页异常地址对应页面的page数据结构,返回为NULL,说明是一个特殊页面
      	if (!vmf->page) {  ///处理特殊页面
      		/*
      		 * VM_MIXEDMAP !pfn_valid() case, or VM_SOFTDIRTY clear on a
      		 * VM_PFNMAP VMA.
      		 *
      		 * We should not cow pages in a shared writeable mapping.
      		 * Just mark the pages writable and/or call ops->pfn_mkwrite.
      		 */
      		if ((vma->vm_flags & (VM_WRITE|VM_SHARED)) ==
      				     (VM_WRITE|VM_SHARED))   ///特殊页面,且vma是可写且共享
      			return wp_pfn_shared(vmf);   ///复用
      
      		pte_unmap_unlock(vmf->pte, vmf->ptl);
      		return wp_page_copy(vmf); ///vma不是可写共享页面,写时拷贝
      	}
      
      	/*
      	 * Take out anonymous pages first, anonymous shared vmas are
      	 * not dirty accountable.
      	 */
      	if (PageAnon(vmf->page)) {///PageAnon判断是否为匿名页面
      		struct page *page = vmf->page;
      
      		/* PageKsm() doesn't necessarily raise the page refcount */
      		if (PageKsm(page) || page_count(page) != 1)
      			goto copy;
      		if (!trylock_page(page))
      			goto copy;
      		if (PageKsm(page) || page_mapcount(page) != 1 || page_count(page) != 1) {
      			unlock_page(page);
      			goto copy;
      		}
      		/*
      		 * Ok, we've got the only map reference, and the only
      		 * page count reference, and the page is locked,
      		 * it's dark out, and we're wearing sunglasses. Hit it.
      		 */
      		unlock_page(page);  
      		wp_page_reuse(vmf); ///PageAnon判断是否为匿名页面,且不为KSM匿名页面, 复用
      		return VM_FAULT_WRITE;
      	} else if (unlikely((vma->vm_flags & (VM_WRITE|VM_SHARED)) ==
      					(VM_WRITE|VM_SHARED))) {
      		return wp_page_shared(vmf); ///处理可写的共享页面,复用
      	}
      copy:
      	/*
      	 * Ok, we need to copy. Oh, well..
      	 */
      	get_page(vmf->page);
      
      	pte_unmap_unlock(vmf->pte, vmf->ptl);
      	return wp_page_copy(vmf);  ///处理写时复制的情况
      }
      
      版权声明:本文内容来自第三方投稿或授权转载,原文地址:https://blog.51cto.com/u_7784550/6058361,作者:luteresa,版权归原作者所有。本网站转在其作品的目的在于传递更多信息,不拥有版权,亦不承担相应法律责任。如因作品内容、版权等问题需要同本网站联系,请发邮件至ctyunbbs@chinatelecom.cn沟通。

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