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Page fault in Interrupt context

linuxoperating-systemlinux-kernel
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一个页面错误可以发生在中断处理程序/原子上下文中吗？
这在音频驱动程序和其他使用mmap作为数据源的情况下很常见。页面错误处理程序中有特定的代码来注意先前的IRQ状态。任何copy_from_user()或copy_to_user()都可能会出错。内核代码本身是固定的，因此只应发生数据异常或数据故障。 - artless noise
5个回答
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它可以做到，但那将是一场灾难。 :-)
@Bandicoot：相信这个人，他是一个Linux内核开发者。 - ninjalj
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@ninjalj：如果答案有帮助的话，相信起来会更容易些。 - Bandicoot
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当访问的虚拟地址映射到不存在的页面时，会发生页面错误（Pagefault）。在中断上下文中，这意味着存在内核错误。与用户空间访问不同，那时进程被终止，而终止中断处理程序则是一个疯狂的选择，很可能导致硬件状态不确定。因此，内核会崩溃，CPU会被锁定，需要重新启动系统。 - adobriyan
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（这是一个有些陈旧的问题。现有的答案包含了正确的事实，但都比较简单。我将尝试更全面地回答这个问题。）
这个问题的答案取决于代码是在内核（监管模式）还是用户模式下运行。原因是这些区域的内存访问规则通常不同。以下是一个简要的事件序列以说明问题（假设内核内存可以分页）：
1. 当用户程序执行时，会发生中断（例如按键/磁盘事件）。 2. CPU转换到监管模式并开始执行内核中的处理程序。 3. 中断处理程序开始保存CPU状态（以便稍后正确地恢复用户进程），但在执行此操作时，它会触及一些之前已经分页的存储。 4. 这会引发页面错误异常。 5. 为了处理页面错误异常，内核现在必须保存经历页面缺失的代码的CPU状态。 6. 如果它有一个预先分配的永远不会分页的内存池，它实际上可能能够完成此操作，但这样的内存池大小必然有限。
所以你看，最安全（也是最简单）的解决方案是，内核确保内核拥有的内存根本无法分页。因此，页面错误实际上不应该在内核中发生。它们可能会发生，但正如@adobriyan所指出的那样，这通常表示一个比简单地需要分页一些内存更大的错误。（我相信在Linux中是这种情况。检查你特定的操作系统以确保内核内存是不可分页的。操作系统的体系结构确实有所不同。）
因此，总之，内核内存通常不可分页，并且由于中断通常在内核中处理，因此在服务中断时通常不会发生页面错误。高优先级中断仍然可以打断低优先级中断。只是它们所有的资源都保存在物理内存中。
关于原子上下文的问题不太清楚。如果您指的是硬件支持的原子操作，则在操作的部分完成过程中不会发生中断。如果您指的是类似于临界区域的东西，请记住，临界区域仅模拟原子性。从硬件的角度来看，这样的代码没有什么特别之处，除了进入和退出代码可能使用真正的硬件原子操作。其中间的代码是普通的代码，可以被打断。
希望这对您有用，因为我也曾经对这个问题感到困惑了一段时间。
例如，我认为bitset代码应该是原子的。这些数组可能会在访问时引起页面错误，在没有原子基元的平台上中断掩码。 - artless noise
Linux内核内存不可分页，但通过vmalloc分配的内存仍可能导致页面故障，因此如果在中断中使用了vmalloced内存，则可能会导致页面故障。 - Yusuf Khan
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是的。

处理程序或关键区域的代码可能跨越两个页面之间的边界。如果第二页不可用，则需要发生页面错误来将其带入。

但是在中断/原子上下文中禁止休眠。调用页面故障处理程序可能会导致进程休眠。因此，在中断上下文中允许页面故障不会导致死锁吗？ - Bandicoot
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正是因为这个原因，Linux内核是不可交换的。 :) - sarnold
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我认为答案是肯定的。 我刚刚检查了在x86_64平台上内核4.15中的页面错误处理程序代码。 以下是一个提示。 no_context是经典的'内核 oops'。

no_context(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code,
           unsigned long address, int signal, int si_code)
{

        /* Are we prepared to handle this kernel fault? */
        if (fixup_exception(regs, X86_TRAP_PF)) {
                /*
                 * Any interrupt that takes a fault gets the fixup. This makes
                 * the below recursive fault logic only apply to a faults from
                 * task context.
                 */
                if (in_interrupt())
                        return;
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