用户态缺页处理-先知社区

用户态缺页处理

本文档阐述了,如何利用 Linux 的

userfaultfd

机制，在用户空间处理缺页异常（page fault）。

1. 整体概述

代码主要流程如下：

内存映射

在

main()

中使用

mmap

分配了 2 页内存（每页 4KB）。

调用

register_uffd()

将映射区域注册到 userfaultfd，使得对这些区域的访问触发缺页异常。

缺页处理线程

启动一个专门处理缺页事件的线程（

fault_handler_thread

），该线程通过

poll()

、

read()

捕获缺页事件，然后利用

UFFDIO_COPY

将预先准备的数据填充到缺页区域。

触发缺页

在

main()

中通过读取映射内存触发缺页事件，最终观察到填充的数据。

2. main() 函数解析

主要步骤

●

内存映射

使用

mmap

分配了 0x2000 字节（2 页）的内存，设置了读写权限。映射类型为匿名且私有。

●

打印映射地址

打印分配内存的起始地址，便于调试。

●

调用

register_uffd(page, 0x2000)

将分配的 2 页内存区域注册到 userfaultfd。

●

触发缺页

通过对映射区域内存的读取（使用

strcpy

拷贝数据到缓冲区），第一次访问将触发缺页异常。代码中读取两次每个页面，借此观察缺页处理线程的填充行为（根据缺页次数返回不同的字符串）。

●

暂停程序

使用

getchar()

阻塞程序退出，以便观察程序运行过程中的输出。

3. register_uffd() 函数解析

主要步骤

●

创建 userfaultfd

通过

syscall(__NR_userfaultfd, O_CLOEXEC | O_NONBLOCK)

创建一个 userfaultfd 文件描述符，设置了

O_CLOEXEC

（子进程不继承）和

O_NONBLOCK

（非阻塞模式）。

●

初始化 API

使用

ioctl(uffd, UFFDIO_API, &uffdio_api)

初始化 userfaultfd，设置 API 版本为

UFFD_API

，不启用额外特性（features = 0）。

●

注册内存区域

设置

uffdio_register

结构体，指定要监控的内存区域起始地址和长度，模式设置为

UFFDIO_REGISTER_MODE_MISSING

（只对缺页页面进行处理）。调用

ioctl

将内存区域注册到 userfaultfd。

●

启动缺页处理线程

使用

pthread_create

创建一个新的线程，线程函数为

fault_handler_thread

，并将 userfaultfd 文件描述符作为参数传递给线程。

4. fault_handler_thread() 函数解析

主要步骤

线程初始化

○

接收参数，将

arg

转换为 userfaultfd 文件描述符。

○

定义相关变量：

dummy_page

用于存放数据，

msg

用于接收缺页事件信息，

copy

用于

UFFDIO_COPY

操作，

pollfd

用于事件监听，

fault_cnt

用于统计缺页次数。

分配临时页面

○

使用

mmap

分配一个大小为 0x1000（4KB）的临时页面

dummy_page

，用于在缺页事件时填充数据。

等待缺页事件

○

设置

pollfd

监听 userfaultfd 文件描述符的可读事件（

POLLIN

）。

○

进入

while

循环，使用

poll()

阻塞等待缺页事件。

处理缺页事件

○

当

poll()

返回后，通过

read()

读取 userfaultfd 的事件消息，并使用

assert

确认事件类型为

UFFD_EVENT_PAGEFAULT

。

○

打印出缺页的标志和地址信息。

填充数据

○

根据

fault_cnt

判断缺页次数：

■

第一次填充

"Hello, world! (1)"

■

后续填充

"Hello, world! (2)"

○

将数据写入

dummy_page

。

复制数据到缺页区域

○

配置 copy结构体：

■

copy.src

：设置为

dummy_page

的地址（数据来源）。

■

copy.dst

：将缺页地址按页对齐（使用

& ~0xfff

）。

■

copy.len

：复制 0x1000 字节（即 4KB，一整页）。

○

使用

ioctl(uffd, UFFDIO_COPY, &copy)

将

dummy_page

中的数据复制到触发缺页的内存页面，从而完成缺页处理。

退出线程

○

当没有更多缺页事件时，线程将退出并返回

NULL

。

5. 总结

●

初始化与注册

○

main()

中调用

mmap

分配了 2 页内存，并通过

register_uffd()

注册到 userfaultfd。

●

缺页事件处理

○

注册后，对内存的读取触发缺页，缺页处理线程

fault_handler_thread()

捕获并响应，通过

UFFDIO_COPY

将预设数据写入缺页区域。

●

效果验证

○

通过重复读取内存页面，可以观察到缺页处理线程根据缺页次数填充了不同的字符串数据，从而验证 userfaultfd 机制的工作效果。

这种机制常用于延迟加载数据、实现用户态内存管理和内存调试等场景。上述的处理函数中，穿插的我们自己的处理代码，就可以帮助实现条件竞争。

poc

参考链接:

https://blog.wohin.me/posts/pawnyable-0303/