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利用异常表处理Linux内核态缺页异常（3）

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首先让我们来看看传给这个函数调用的两个参数：它们都是通过entry.S在堆栈中建立的（arch/i386/kernel/entry.S），参数regs指向保存在堆栈中的寄存器，error_code中存放着异常的出错码，具体的堆栈布局参见图一（堆栈的生成过程请参考《Linux内核源代码情景分析》一书）

作者：asdkj 来源：赛迪网技术社区 2007年10月28日

关键字：异常内核表 Linux

该函数首先从CPU的控制寄存器CR2中获取出现缺页异常的虚拟地址。由于缺页异常处理程序需要处理的缺页异常类型很多，分支也很复杂。基于本文的主旨，我们只关心以下的几种内核缺页异常处理的情况：

1．" 程序要访问的内核地址空间的内容不在内存中，先跳转到标号vmalloc_fault，如果当前访问的内容所对应的页目录项不在内存中，再跳转到标号no_context；

2．缺页异常发生在中断或者内核线程中，跳转到标号no_context；

3．程序在核心态运行时访问用户空间的数据，被访问的数据不在内存中

a) 出现异常的虚拟地址在进程的某个vma中，但是系统内存无法分配空闲页框（page frame），则先跳转到标号out_of_memory，再跳转到标号no_context；

b) 出现异常的虚拟地址不属于进程任一个vma，而且不属于堆栈扩展的范畴，则先跳转到标号bad_area，最终也是到达标号no_context。

从上面的这几种情况来看，我们关注的焦点最后集中到标号no_context处，即对函数search_exception_table的调用。这个函数的作用就是通过发生缺页异常的指令(regs->eip)在异常表（exception table）中寻找下一条可以继续运行的指令(fixup)。这里提到的异常表包含一些地址对，地址对中的前一个地址表示出现异常的指令的地址，后一个表示当前一个指令出现错误时，程序可以继续得以执行的修复地址。

如果这个查找操作成功的话，缺页异常处理程序将堆栈中的返回地址（regs->eip）修改成修复地址并返回，随后，发生异常的进程将按照fixup中安排好的指令继续执行下去。当然，如果无法找到与之匹配的修复地址，系统只有打印出出错信息并停止运作。

那么，这个所谓的修复地址又是如何生成的呢？是系统自动生成的吗？答案当然是否定的，这些修复指令都是编程人员通过as提供的扩展功能写进内核源码中的。下面我们就来分析一下其实现机制。

异常表的实现机制

笔者取include/asm-i386/uaccess.h中的宏定义__copy_user编写了一段程序作为例子加以讲解。

/* hello.c */
　　#include 
　　#include 
　　
　　#define __copy_user(to,from,size) do
 { int __d0, __d1; __asm__ __volatile__
( "0: rep; movsl\n" " movl %3,%0\n" "1: rep; movsb\n"
 "2:\n" ".section .fixup,\"ax\"\n" 
"3: lea 0(%3,%0,4),%0\n" " jmp 2b\n" 
".previous\n" ".section __ex_table,\"a\"\n"
 " .align 4\n"
 " .long 0b,3b\n" " .long 1b,2b\n"
 ".previous" : "=&c"(size), "=&D" (__d0), 
"=&S" (__d1) : "r"(size & 3), "0"(size / 4), "1"(to),
 "2"(from) : "memory"); } while (0)
　　
　　int main(void)
　　{
　　 const char *string = "Hello, world!";
　　 char buf[20];
　　 unsigned long n, m;
　　
　　 m = n = strlen(string);
　　 __copy_user(buf, string, n);
　　 buf[m] = '\0';
　　 printf("%s\n", buf);
　　 exit(0);
　　}

先看看本程序的执行结果：

$ gcc hello.c -o hello
　　 $ ./hello
　　Hello, world!

显然，这就是一个简单的"hello world"程序，那为什么要写得这么复杂呢？程序中的一大段汇编代码在内核中才能体现出其价值，笔者将其加入到上面的程序中，是为了后面的分析而准备的。

系统在核心态运行的时候，参数是通过寄存器来传递的，由于寄存器所能够传递的信息有限，所以传递的参数大多数是指针。要使用指针所指向的更大块的数据，就需要将用户空间的数据拷贝到系统空间来。上面的__copy_user在内核中正是扮演着这样的一个拷贝数据的角色，当然，内核中这样的宏定义还很多，笔者也只是取其中的一个来讲解，读者如果感兴趣的话可以看完本文以后自行学习。

如果读者对于简单的嵌入式汇编还不是很了解的话，可以参考《Linux内核源代码情景分析》一书。下面我们将程序编译成汇编程序来加以分析：

$ gcc -S hello.c
　　/* hello.s */
　　 movl -60(%ebp), %eax
　　 andl $3, %eax
　　 movl -60(%ebp), %edx
　　 movl %edx, %ecx
　　 shrl $2, %ecx
　　 leal -56(%ebp), %edi
　　 movl -12(%ebp), %esi
　　#APP
　　 0: rep; movsl
　　 movl %eax,%ecx
　　1: rep; movsb
　　2:
　　.section .fixup,"ax"
　　3: lea 0(%eax,%ecx,4),%ecx
　　 jmp 2b
　　.previous
　　.section __ex_table,"a"
　　 .align 4
　　 .long 0b,3b
　　 .long 1b,2b
　　.previous
　　#NO_APP
　　 movl %ecx, %eax

从上面通过gcc生成的汇编程序中，我们可以很容易的找到访问用户地址空间的指令，也就是程序中的标号为0和1的两条语句。而程序中伪操作.section的作用就是定义了.fixup和__ex_table这样的两个段，那么这两段在可执行程序中又是如何安排的呢？下面就通过objdump给读者一个直观的概念：

　$ objdump --section-headers hello
　　hello:　　 file format elf32-i386
　　
　　Sections:
　　Idx Name　　　　　Size　　　VMA　　　 LMA　　　 File off　Algn
　　　0 .interp　　　 00000013　080480f4　080480f4　000000f4　2**0
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
　　 ………………………………
　　　9 .init　　　　 00000018　080482e0　080482e0　000002e0　2**2
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
　　 10 .plt　　　　　00000070　080482f8　080482f8　000002f8　2**2
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
　　 11 .text　　　　 000001c0　08048370　08048370　00000370　2**4
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
　　 12 .fixup　　　　00000009　08048530　08048530　00000530　2**0
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
　　 13 .fini　　　　 0000001e　0804853c　0804853c　0000053c　2**2
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
　　 14 .rodata　　　 00000019　0804855c　0804855c　0000055c　2**2
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
　　 15 __ex_table　　00000010　08048578　08048578　00000578　2**2
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
　　 16 .data　　　　 00000010　08049588　08049588　00000588　2**2
　　　　　　　　　　　CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
　　　　　　　　　　　CONTENTS, READONLY
　　 ………………………………
　　 26 .note　　　　 00000078　00000000　00000000　0000290d　2**0
　　　　　　　　　　　CONTENTS, READONLY

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