2.5 linux存储管理-用户堆栈扩展

越界访问并不都是坏事，不过只有一种情况。

当用户堆栈过小时，可以通过越界访问使其得到伸展。

进程地址空间如下图所示（从下到上地址增加），每个进程在逻辑上都有这样一个内存描述图。这种内存描述图是mm_struct结构的图形化描述。它描述了进程的内存需求。

堆栈的扩展引发的缺页异常：

正常的堆栈扩展操作：正常的堆栈操作可能会引发一次缺页异常，(%esp - 4)可能属于堆栈区和数据\代码区之间的空洞，这必然会引发一次缺页异常。

如何判断是否为正常的对扩展操作：

x86 汇编指令有：push和pusha，push是扩展4个字节（%esp-4），pusha是扩展32个字节(%esp-32)，所以扩展的数量超过32Byte，就一定是错的了。

1. if (!(vma->vm_flags & VM_GROWSDOWN))
2. goto bad_area;
3. if (error_code & 4) {
4. /*
5. * accessing the stack below %esp is always a bug.
6. * The "+ 32" is there due to some instructions (like
7. * pusha) doing post-decrement on the stack and that
8. * doesn't show up until later..
9. */
10. if (address + 32 < regs->esp)
11. goto bad_area;
12. }
13. if (expand_stack(vma, address))
14. goto bad_area;
16. //后面有good_area的处理

堆栈的扩展操作：

进程的 task_struct 结构中有一个rlim结构数组，里面规定了每种资源的限制。我们利用一些宏和该数组访问资源的限制值。

rlim[RLIMIT_STACK] 里面存放了进程堆栈的相关限制，expend_stack需要检查这一点。一般情况下，进程的堆栈空间是够用的，但是当动态分配过多时，就不能扩展了，会返回-ENOMEM。

但是，expend_stack只是改变了堆栈区的vma结构，并没有建新的映射。（修改了进程的内存描述）

1. static inline int expand_stack(struct vm_area_struct * vma, unsigned long address)
2. {
3. unsigned long grow;
5. address &= PAGE_MASK;
6. grow = (vma->vm_start - address) >> PAGE_SHIFT;
7. if (vma->vm_end - address > current->rlim[RLIMIT_STACK].rlim_cur ||
8. ((vma->vm_mm->total_vm + grow) << PAGE_SHIFT) > current->rlim[RLIMIT_AS].rlim_cur)
9. return -ENOMEM;
10. vma->vm_start = address;
11. vma->vm_pgoff -= grow;
12. vma->vm_mm->total_vm += grow;
13. if (vma->vm_flags & VM_LOCKED)
14. vma->vm_mm->locked_vm += grow;
15. return 0;
16. }

（参见 include/linux/mm.h）

good_area处理：

expend_stack成功后会进入good_area的处理

首先，根据error进行一些可知错误的判断，如果错误就进入bad_area

然后，处理错误

1. /*
2. * Ok, we have a good vm_area for this memory access, so
3. * we can handle it..
4. */
5. good_area:
6. info.si_code = SEGV_ACCERR;
7. write = 0;
8. switch (error_code & 3) {
9. default: /* 3: write, present */
10. #ifdef TEST_VERIFY_AREA
11. if (regs->cs == KERNEL_CS)
12. printk("WP fault at %08lx\n", regs->eip);
13. #endif
14. /* fall through */
15. case 2: /* write, not present */
16. if (!(vma->vm_flags & VM_WRITE))
17. goto bad_area;
18. write++;
19. break;
20. case 1: /* read, present */
21. goto bad_area;
22. case 0: /* read, not present */
23. if (!(vma->vm_flags & (VM_READ | VM_EXEC)))
24. goto bad_area;
25. }
27. /*
28. * If for any reason at all we couldn't handle the fault,
29. * make sure we exit gracefully rather than endlessly redo
30. * the fault.
31. */
32. switch (handle_mm_fault(mm, vma, address, write)) {
33. case 1:
34. tsk->min_flt++;
35. break;
36. case 2:
37. tsk->maj_flt++;
38. break;
39. case 0:
40. goto do_sigbus;
41. default:
42. goto out_of_memory;
43. }

非错误处理：

这里的非错误处理是指排除已知错误后进行的处理，其实主要就是物理页面未映射。处理包括申请物理页面、交换页面的准备工作

1. 1189 /*
2. 1190 * By the time we get here, we already hold the mm semaphore
3. 1191 */
4. 1192 int handle_mm_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct * vma,
5. 1193 unsigned long address, int write_access)
6. 1194 {
7. 1195 int ret = -1;
8. 1196 pgd_t *pgd;
9. 1197 pmd_t *pmd;
10. 1198
11. 1199 pgd = pgd_offset(mm, address); //计算pgd表项的指针
12. 1200 pmd = pmd_alloc(pgd, address); //由于是32bit，所以pmd的分配一定会成功
13. 1201
14. 1202 if (pmd) {
15. 1203 pte_t * pte = pte_alloc(pmd, address); //分配pte表项
16. 1204 if (pte)
17. 1205 ret = handle_pte_fault(mm, vma, address, write_access, pte);
18. 1206 }
19. 1207 return ret;
20. 1208 }

pte_alloc函数处理：

get_pte_fast 返回的物理页面 是从物理页面缓冲池（内核释放的页面表先不释放物理页面，而是构建一个缓冲池）中获取的

get_pte_slow 是从 get_pte_kernel_slow()分配的

set_pmd处理了一些标志位（在pmd表项中）

但是，此时尚未处理pte表项

1. 120 extern inline pte_t * pte_alloc(pmd_t * pmd, unsigned long address)
2. 121 {
3. 122 address = (address >> PAGE_SHIFT) & (PTRS_PER_PTE - 1);
4. 123
5. 124 if (pmd_none(*pmd))
6. 125 goto getnew;
7. 126 if (pmd_bad(*pmd))
8. 127 goto fix;
9. 128 return (pte_t *)pmd_page(*pmd) + address;
10. 129 getnew:
11. 130 {
12. 131 unsigned long page = (unsigned long) get_pte_fast();
13. 132
14. 133 if (!page)
15. 134 return get_pte_slow(pmd, address);
16. 135 set_pmd(pmd, __pmd(_PAGE_TABLE + __pa(page)));
17. 136 return (pte_t *)page + address;
18. 137 }
19. 138 fix:
20. 139 __handle_bad_pmd(pmd);
21. 140 return NULL;
22. 141 }

handle_pte_fault： 

物理页面映射，重点在于do_no_page。

当我们发现page不在内存当中时（pte_present），我们需要执行do_no_page

如果vma->vm_ops->nopage()被指定了，那么我们就执行该函数。但是，有可能为未被指定，那么内核会调用do_anonymous_page()完成物理页面的分配。

1. 1153 static inline int handle_pte_fault(struct mm_struct *mm,
2. 1154 struct vm_area_struct * vma, unsigned long address,
3. 1155 int write_access, pte_t * pte)
4. 1156 {
5. 1157 pte_t entry;
6. 1158
7. 1159 /*
8. 1160 * We need the page table lock to synchronize with kswapd
9. 1161 * and the SMP-safe atomic PTE updates.
10. 1162 */
11. 1163 spin_lock(&mm->page_table_lock);
12. 1164 entry = *pte;
13. 1165 if (!pte_present(entry)) {
14. 1166 /*
15. 1167 * If it truly wasn't present, we know that kswapd
16. 1168 * and the PTE updates will not touch it later. So
17. 1169 * drop the lock.
18. 1170 */
19. 1171 spin_unlock(&mm->page_table_lock);
20. 1172 if (pte_none(entry))
21. 1173 return do_no_page(mm, vma, address, write_access, pte);
22. 1174 return do_swap_page(mm, vma, address, pte, pte_to_swp_entry(entry), write_access);
23. 1175 }
24. 1176
25. 1177 if (write_access) {
26. 1178 if (!pte_write(entry))
27. 1179 return do_wp_page(mm, vma, address, pte, entry);
28. 1180
29. 1181 entry = pte_mkdirty(entry);
30. 1182 }
31. 1183 entry = pte_mkyoung(entry);
32. 1184 establish_pte(vma, address, pte, entry);
33. 1185 spin_unlock(&mm->page_table_lock);
34. 1186 return 1;
35. 1187 }

do_anonymous_page函数：

该函数为映射的最低一层

只要是只读页面，一开始都是映射到同一个物理页面empty_zero_page，不管其虚拟地址是什么。

只有可写的页面才会申请物理页面，alloc_page分配了一个物理页面

set_pte为止，虚拟页面到物理页面的映射就建立了。

1. /*
2. * This only needs the MM semaphore
3. */
4. static int do_anonymous_page(struct mm_struct * mm, struct vm_area_struct * vma, pte_t *page_table, write_access, unsigned long addr)
5. {
6. struct page *page = NULL;
7. pte_t entry = pte_wrprotect(mk_pte(ZERO_PAGE(addr), vma->vm_page_prot));
8. if (write_access) {
9. page = alloc_page(GFP_HIGHUSER);
10. if (!page)
11. return -1;
12. clear_user_highpage(page, addr);
13. entry = pte_mkwrite(pte_mkdirty(mk_pte(page, vma->vm_page_prot)));
14. mm->rss++;
15. flush_page_to_ram(page);
16. }
17. set_pte(page_table, entry);
18. /* No need to invalidate - it was non-present before */
19. update_mmu_cache(vma, addr, entry);
20. return 1; /* Minor fault */
21. }