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系统零页

在匿名页面的缺页异常处理中，我们使用了系统零页，因为对于malloc()函数来说，分配的内存仅仅是进程地址空间中的虚拟内存。若这时用户程序需要读这个malloc()分配的虚拟内存，那么系统会返回全是0的数据，因此Linux内核不必为这种情况单独分配物理内存，而使用系统零页，即使用系统零页来映射malloc()分配的虚拟内存。当程序需要写入这个页面时就会触发一个缺页异常，于是缺页异常变成了写时复制的缺页异常。总之，应用程序使用malloc()来分配虚拟内存，有以下几种情况。

malloc()分配内存后，直接读。这种情况下，在Linux内核中会进入匿名页面的缺页中断，即do_anonymous_page()函数使用系统零页进行映射。这时映射的PTE属性是只读的。
malloc()分配内存，先读后写。这种场景下，先读的操作会让Linux内核使用系统零页来建立页表的映射关系，这时PTE的属性是只读的。当应用程序需要往这个虚拟内存中写入内容时，又触发另外一个缺页异常，这个写时复制的缺页异常稍后会详细分析。
malloc()分配内存后，直接写内存。在这个场景下，在Linux内核中会进入匿名页面的缺页中断，然后使用alloc_zeroed_user_highpage_movable()函数来分配一个新的页面，并且使用该页面来设置PTE，这时这个PTE的属性是可写的。

在ARM64架构中，empty_zero_page被定义成一个全局数组。

<arch/arm64/mm/mmu.c>
/*
 * Empty_zero_page 是一个特殊映射的页面，用于内容全是0的页面和写时复制场景
 */
unsigned long empty_zero_page[PAGE_SIZE / sizeof(unsigned long)] __page_aligned_bss;
EXPORT_SYMBOL(empty_zero_page);

Linux内核提供了一些辅助的宏来使用这个系统零页。

extern unsigned long empty_zero_page[PAGE_SIZE / sizeof(unsigned long)];
#define ZERO_PAGE(vaddr) phys_to_page(__pa_symbol(empty_zero_page))

#define my_zero_pfn(addr)  page_to_pfn(ZERO_PAGE(addr))

文件映射缺页中断

在没有找到对应的PTE并且是文件映射的情况下，会调用do_fault()函数。

<mm/memory.c>

static vm_fault_t do_fault(struct vm_fault *vmf)

do_fault()函数中的主要操作如下。在第3529～3555行中，处理VMA中的vm_ops()方法集中没有实现fault()的情况，有些内核模块或者驱动的mmap()函数并没有实现fault()回调函数。在这种场景下，我们需要考虑一种特殊的情况。可能CPU0调用ptep_modify_prot_start()和ptep_modify_prot_commit()函数对PTE进行修改。这是一个“读-修改-回写”（read-modify-write）机制，这时硬件可能会异步地对这个PTE进行修改。“读-修改-回写”不能防止硬件对PTE进行修改，但是能防止某些更新导致PTE值丢失。“读-修改-回写”需要设置一个mm->page_table_lock的自旋锁进行保护，其他内核路径不会对其进行干扰。若这个时候CPU1访问该页，那么会导致缺页异常，因此我们在这里需要调用pte_offset_map_lock()来重新获取PTE，然后检查PTE是否有效，保证这不是一个临时的PTE。所谓的临时PTE就是在读-修改-回写的过程中，PTE的内容被清空。注意，pte_offset_map_lock()函数需要申请mm->page_table_lock的自旋锁。若最终还发现该PTE是一个无效的PTE，那么只能返回VM_FAULT_SIGBUS信号；若它是一个有效的PTE，那么返回VM_FAULT_NOPAGE，表示这次缺页异常不需要返回一个新的页面。