UserFaultFD

UserFaultFD 是一种 Linux 用于实现 User Page Fault Handler 的机制。

不过有一说一，UserFaultFD 所对应的 File ，非常不像一个传统的“文件”，而变得更加像一个内核资源（从它使用 ioctl() 来看，也可以说像一个设备）。

在使用上，需要使用 User Page Fault Handler 的线程会通过通过特定的系统调用申请一个 userfaultfd ，然后在它对应的 File 上注册（通过 ioctl() ）监视的虚拟地址区域，只有这个区域内发生 Page Fault 会调用用户态处理程序。

然后我们还需要在 userfaultfd 上注册一个 pagefault handler 函数，并启动一个线程来执行这个函数。在 man 里说注册线程和处理线程可以不属于同一个进程，但是我没有找到具体的例子。这种逻辑其实就类似于 IPC 了，当发生缺页异常的时候，异常发生线程会被阻塞，而当 handler 线程被调度的时候，它就会处理这个缺页异常，处理结束后，异常发生线程就可以重新被调度。

在异常处理过程中，handler 线程会用 poll() 来监视 userfaultfd ，当其可以被读是，它就会用 read() 从这个 fd 中读出一个 uffd_msg 结构体来，如下所示：

struct uffd_msg {
    __u8  event;            /* Type of event */
    ...
    union {
        struct {
            __u64 flags;    /* Flags describing fault */
            __u64 address;  /* Faulting address */
            union {
                __u32 ptid; /* Thread ID of the fault */
            } feat;
        } pagefault;
 
        struct {            /* Since Linux 4.11 */
            __u32 ufd;      /* Userfault file descriptor
                               of the child process */
        } fork;
 
        struct {            /* Since Linux 4.11 */
            __u64 from;     /* Old address of remapped area */
            __u64 to;       /* New address of remapped area */
            __u64 len;      /* Original mapping length */
        } remap;
 
        struct {            /* Since Linux 4.11 */
            __u64 start;    /* Start address of removed area */
            __u64 end;      /* End address of removed area */
        } remove;
        ...
    } arg;
 
    /* Padding fields omitted */
} __packed;

可以看到这个结构体中包含着进行进行 handle 时所需要的数据，比如说 page fault address 等。但是因为 Linux 是宏内核的原因，所以具体的映射依然是通过系统调用进行。handler 会填写好（通过 ioctl() ）一个请求结构体（有多种请求，包括 copy, zero 等），在结构体中指定虚拟地址等信息，然后通过 ioctl() 让内核完成后续操作。