pfn_to_page、phys_to_pfn能否在中断上下文中调用

在Linux内核中，pfn_to_page 和 phys_to_pfn 函数通常可以在中断上下文中安全调用。以下是详细分析：

1. phys_to_pfn

  • 功能：将物理地址（phys_addr_t）转换为页帧号（Page Frame Number, PFN）。
  • 实现：
    1
    2
    // include/linux/pfn.h
    #define phys_to_pfn(phys) ((unsigned long)((phys) >> PAGE_SHIFT))
  • 安全性：
    • 这是一个简单的位操作（右移 PAGE_SHIFT 位），不涉及任何锁、内存分配或复杂计算。
    • 完全可在中断上下文中使用。

2. pfn_to_page

  • 功能：将PFN转换为对应的 struct page 指针。
  • 实现：依赖内核的内存模型（CONFIG_SPARSEMEM、CONFIG_FLATMEM 等），但主流实现是安全的：
    • FLATMEM（简单系统）：
      1
      2
      // arch/arm/include/asm/memory.h
      #define pfn_to_page(pfn) (mem_map + ((pfn) - ARCH_PFN_OFFSET))
    • SPARSEMEM_VMEMMAP（通用服务器/PC）：
      1
      2
      // include/asm-generic/memory_model.h
      #define pfn_to_page(pfn) (vmemmap + (pfn))
    • SPARSEMEM（稀疏内存）：
      1
      #define __pfn_to_page(pfn)  ... // 通过 mem_section 表查找（无锁）
  • 安全性：
    • 所有实现均为纯算术操作或数组索引。
    • 不涉及锁、动态内存分配或可能阻塞的操作。
    • 可在中断上下文中安全使用。

关键原因：无锁且无阻塞

  • 这两个函数本质是地址转换宏/内联函数，不涉及：
    • 锁（如 spin_lock）
    • 动态内存分配（如 kmalloc）
    • 文件I/O或慢速路径操作
  • 符合中断上下文要求：不可睡眠、不可阻塞。

注意事项

  1. 内存有效性：
    • 确保传入的物理地址/PFN是有效的（属于系统内存）。非法地址可能导致崩溃（如解引用 NULL）。
  2. 内存模型差异：
    • 不同架构（x86、ARM）或配置（如 CONFIG_SPARSEMEM_VMEMMAP）的实现不同，但均保证中断安全。
  3. 调试代码：
    • 某些调试配置（如 CONFIG_DEBUG_VIRTUAL）可能添加额外检查，但通常仍中断安全。

结论

  • phys_to_pfn 和 pfn_to_page 可在中断上下文中调用。
  • 它们是无副作用的纯计算操作，无锁、无阻塞，满足中断上下文约束。但仍需确保参数有效性，避免非法地址。

PageHWPoison能否在中断上下文使用

在 Linux 内核中，**PageHWPoison 宏可以在中断上下文中安全使用**，但需要满足特定条件。以下是详细分析：

1. PageHWPoison 的本质

1
2
// include/linux/page-flags.h
#define PageHWPoison(p) PageHWPoison(p)

实际实现为对 struct page->flags 的位测试（PG_hwpoison 位）：

1
TESTPAGEFLAG(HWPoison, hwpoison, PF_ANY)

展开后为简单的位掩码操作：

1
2
3
static inline int PageHWPoison(const struct page *page) {
    return test_bit(PG_hwpoison, &page->flags);
}

2. 中断上下文安全性分析

✅ 安全的原因：

  1. 无锁操作：

    • 仅通过 test_bit() 检查标志位（原子读操作）
    • 不涉及任何锁机制（如 spin_lock）

  2. 无阻塞行为：

    • 纯算术操作（位掩码 + 内存读取）
    • 不调用可能休眠的函数（如 kmalloc() 或文件系统操作）

  3. 无副作用：

    • 仅读取 page->flags，不修改页面状态

⚠️ 关键前提条件：

1
struct page *page = /* 必须确保该指针有效且稳定 */;

  1. 指针有效性：

    • 传入的 struct page* 必须属于有效的物理页
    • 非法指针会导致非法内存访问（如触发 Oops）

  2. 内存稳定性：

    • 页面不能被同时释放（需确保引用计数安全）
    • 通常要求调用前已通过 get_page_unless_zero() 或其他机制持有引用

3. 中断上下文中的使用场景

✅ 安全用例：

1
2
3
4
5
6
7
8
// 在中断处理函数中（如 MCE 处理）
irqreturn_t mce_handler(...) {
    struct page *page = pfn_to_page(pfn);  // 安全（见之前分析）
    
    if (PageHWPoison(page)) {              // 安全：仅位测试
        // 标记错误但不立即处理...
    }
}

⚠️ 危险场景：

1
2
3
4
if (PageHWPoison(page)) {
    put_page(page);  // 可能触发 __put_page() -> 释放操作
    free_pages(...); // 绝对禁止在中断中调用！
}
  • 页释放操作（如 put_page()）在中断上下文中：
    • 可能触发内存管理子系统复杂操作
    • 可能休眠或获取锁（违反中断上下文规则）

4. 实际内核代码参考

  • 内存错误处理（如 MCE）在中断上下文中使用 PageHWPoison：
    1
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    // arch/x86/kernel/cpu/mce/core.c
    void mce_process_work(...) {
        ...
        if (PageHWPoison(p)) 
            set_mce_nospec(p->pfn, p->flags & MF_PAGE_SOFT_OFFLINE);
        ...
    }
  • 设计原则：
    • 仅执行诊断/标记（如设置 MCE 状态）
    • 推迟复杂处理（如页面回收）到进程上下文

5. 结论与最佳实践

操作 中断上下文是否安全 说明
PageHWPoison(page) ✅ 安全 纯位测试无锁无阻塞
set_page_hwpoison() ❌ 不安全 涉及标志修改和锁操作
后续页面回收操作 ❌ 不安全 可能休眠或调用复杂路径

最佳实践：

  1. 中断中仅作检查：

    1
    2
    3
    4
    if (PageHWPoison(page)) {
        atomic_inc(&hwpoison_counter); // 安全：原子操作
        schedule_work(&recovery_work); // 推迟处理到进程上下文
    }

  2. 确保页面指针稳定：

    • 通过 get_page_unless_zero() 获取引用
    • 或确认页面来自不可释放区域（如内核保留页）

  3. 避免修改页面状态：

    • 所有设置/清除 PG_hwpoison 的操作（如 SetPageHWPoison()）必须在进程上下文执行。