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[26227] 2020-08-18_图解什么是缺页错误PageFault

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-08-18_图解什么是缺页错误PageFault 图 解   |   什 么 是 缺 页 错 误 P a g e   F a u l t L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 0 8 - 1 8 以 下 文 章 来 源 于 后 端 技 术 指 南 针   ， 作 者 程 序 员 大 白 啊 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 后 端 技 术 指 南 针 后 端 技 术 指 南 针 1 . 号 外 号 外 先 抛 一 道 阿 里 面 试 题 给 大 家 热 热 身 ， 引 出 今 天 的 主 角 阿 里 面 试 题 给 大 家 热 热 身 ， 引 出 今 天 的 主 角 - 缺 页 异 常 缺 页 异 常 P a g e   F a u l t 。 。 谈 谈 对 缺 页 异 常 谈 谈 对 缺 页 异 常 P a g e   F a u l t 的 理 解 。 的 理 解 。 话 不 多 说 ， 集 合 上 车 。 话 不 多 说 ， 集 合 上 车 。 2 .   术 语 约 定 V A ： V i r t u a l   A d d r e s s   虚 拟 地 址 P A ： P h y s i c a l   A d d r e s s   物 理 地 址 M M U ： M e m o r y   M a n a g e   U n i t   内 存 管 理 单 元 T L B ： T r a n s l a t i o n   L o o k a s i d e   B u f f e r   旁 路 快 表 缓 存 / 地 址 变 换 高 速 缓 存 P T E ： P a g e   T a b l e   E n t r y   分 页 表 项 3 .   内 存 的 惰 性 分 配 以 3 2 位 的 L i n u x 系 统 为 例 ， 每 个 进 程 独 立 拥 有 4 G B 的 虚 拟 地 址 空 间 ， 根 据 局 部 性 原 理 没 有 必 要 也 不 可 能 为 每 个 进 程 分 配 4 G B 的 物 理 地 址 空 间 。 6 4 位 系 统 也 是 一 样 的 道 理 ， 只 不 过 空 间 寻 址 范 围 大 了 很 多 很 多 倍 ， 进 程 的 虚 拟 地 址 空 间 会 分 为 几 个 部 分 ： 后 端 技 术 指 南 针 后 端 技 术 指 南 针   . 专 注 后 端 开 发 ， 记 录 所 思 所 得 。
实 际 上 只 有 程 序 运 行 时 用 到 了 才 去 内 存 中 寻 找 虚 拟 地 址 对 应 的 页 帧 ， 找 不 到 才 可 能 进 行 分 配 ， 这 就 是 内 存 的 惰 性 ( 延 时 ) 分 配 机 制 。 对 于 一 个 运 行 中 的 进 程 来 说 ， 不 是 所 有 的 虚 拟 地 址 在 物 理 内 存 中 都 有 对 应 的 页 ， 如 图 展 示 了 部 分 虚 拟 地 址 存 在 对 应 物 理 页 的 情 况 ：
虚 拟 地 址 空 间 根 据 固 定 大 小 一 般 是 4 K B 进 行 划 分 ， 物 理 内 存 可 以 设 置 不 同 的 页 面 大 小 ， 通 常 物 理 页 大 小 和 虚 拟 页 大 小 是 一 样 的 ， 本 文 按 照 物 理 页 4 K B 大 小 展 开 。 经 过 前 面 的 分 析 ， 我 们 将 面 临 一 个 问 题 ： 如 何 将 虚 拟 地 址 准 确 快 速 地 映 射 到 物 理 页 呢 如 何 将 虚 拟 地 址 准 确 快 速 地 映 射 到 物 理 页 呢 ？ ？ > > > 高 能 预 警 高 能 预 警   敲 黑 板 敲 黑 板   本 段 小 结 本 段 小 结 < < < 1 .   L i n u x 的 虚 拟 地 址 空 间 就 是 空 头 支 票 空 头 支 票 ， 看 着 很 大 但 是 实 际 对 应 的 物 理 空 间 只 有 很 少 的 一 部 分 。 2 . 内 存 的 惰 性 分 配 惰 性 分 配 是 个 有 效 的 机 制 ， 可 以 保 证 内 存 利 用 率 和 服 务 器 利 用 率 ， 是 资 源 合 理 配 置 的 方 法 。 3 . 大 量 的 虚 拟 地 址 到 物 理 地 址 的 快 速 准 确 地 查 询 转 换 快 速 准 确 地 查 询 转 换 是 一 个 难 题 。 4 .   C P U 如 果 获 取 内 存 中 的 数 据 C P U 并 不 直 接 和 物 理 内 存 打 交 道 ， 而 是 把 地 址 转 换 的 活 外 包 给 了 M M U ， M M U 是 一 种 硬 件 电 路 ， 其 速 度 很 快 ， 主 要 工 作 是 进 行 内 存 管 理 ， 地 址 转 换 只 是 它 承 接 的 业 务 之 一 。
一 起 看 看 M M U 是 如 何 搞 定 地 址 转 换 的 。 4 . 1   M M U 和 P a g e   T a b l e 每 个 进 程 都 会 有 自 己 的 页 表 P a g e   T a b l e ， 页 表 存 储 了 进 程 中 虚 拟 地 址 到 物 理 地 址 的 映 射 关 系 ， 所 以 就 相 当 于 一 张 地 图 ， M M U 收 到 C P U 的 虚 拟 地 址 之 后 开 始 查 询 页 表 ， 确 定 是 否 存 在 映 射 以 及 读 写 权 限 是 否 正 常 ， 如 图 ： 对 于 4 G B 的 虚 拟 地 址 且 大 小 为 4 K B 页 ， 一 级 页 表 将 有 2 ^ 2 0 个 表 项 ， 页 表 占 有 连 续 内 存 并 且 存 储 空 间 大 ， 多 级 页 表 可 以 有 效 降 低 页 表 的 存 储 空 间 以 及 内 存 连 续 性 要 求 ， 但 是 多 级 页 表 同 时 也 带 来 了 查 询 效 率 问 题 。
我 们 以 2 级 页 表 为 例 ， M M U 要 先 进 行 两 次 页 表 查 询 确 定 物 理 地 址 ， 在 确 认 了 权 限 等 问 题 后 ， M M U 再 将 这 个 物 理 地 址 发 送 到 总 线 ， 内 存 收 到 之 后 开 始 读 取 对 应 地 址 的 数 据 并 返 回 。 M M U 在 2 级 页 表 的 情 况 下 进 行 了 2 次 检 索 和 1 次 读 写 ， 那 么 当 页 表 变 为 N 级 时 ， 就 变 成 了 N 次 检 索 + 1 次 读 写 。 可 见 ， 页 表 级 数 越 多 查 询 的 步 骤 越 多 ， 对 于 C P U 来 说 等 待 时 间 越 长 ， 效 率 越 低 ， 这 个 问 题 还 需 要 优 化 才 行 。 > >   本 段 小 结 本 段 小 结   敲 黑 板 敲 黑 板   划 重 点 划 重 点   < < 1 . 页 表 存 在 于 进 程 的 内 存 之 中 ， M M U 收 到 虚 拟 地 址 之 后 查 询 P a g e   T a b l e 来 获 取 物 理 地 址 。 2 . 单 级 页 表 对 连 续 内 存 要 求 高 ， 于 是 引 入 了 多 级 页 表 ， 但 是 多 级 页 表 也 是 一 把 双 刃 剑 多 级 页 表 也 是 一 把 双 刃 剑 ， 在 减 少 连 续 存 储 要 求 且 减 少 存 储 空 间 的 同 时 降 低 了 查 询 效 率 。 4 . 2   M M U 和 T L B 的 故 事 M M U 和 T L B 的 故 事 就 这 样 开 始 了 . . . C P U 觉 得 M M U 干 活 虽 然 卖 力 气 ， 但 是 效 率 有 点 低 ， 不 太 想 继 续 外 包 给 它 了 ， 这 一 下 子 把 M M U 急 坏 了 。
M M U 于 是 找 来 了 一 些 精 通 统 计 的 朋 友 ， 经 过 一 番 研 究 之 后 发 现 C P U 用 的 数 据 经 常 是 一 小 搓 ， 但 是 每 次 M M U 都 还 要 重 复 之 前 的 步 骤 来 检 索 ， 害 ， 就 知 道 埋 头 干 活 了 ， 也 得 讲 究 方 式 方 法 呀 ！ 找 到 瓶 颈 之 后 ， M M U 引 入 了 新 武 器 ， 江 湖 人 称 快 表 的 T L B ， 别 看 T L B 容 量 小 ， 但 是 正 式 上 岗 之 后 干 活 还 真 是 不 含 糊 。 当 C P U 给 M M U 传 新 虚 拟 地 址 之 后 ， M M U 先 去 问 T L B 那 边 有 没 有 ， 如 果 有 就 直 接 拿 到 物 理 地 址 发 到 总 线 给 内 存 ， 齐 活 。 T L B 容 量 比 较 小 ， 难 免 发 生 C a c h e   M i s s ， 这 时 候 M M U 还 有 保 底 的 老 武 器 页 表   P a g e   T a b l e ， 在 页 表 中 找 到 之 后 M M U 除 了 把 地 址 发 到 总 线 传 给 内 存 ， 还 把 这 条 映 射 关 系 给 到 T L B ， 让 它 记 录 一 下 刷 新 缓 存 。
T L B 容 量 不 满 的 时 候 就 直 接 把 新 记 录 存 储 了 ， 当 满 了 的 时 候 就 开 启 了 淘 汰 大 法 把 旧 记 录 清 除 掉 ， 来 保 存 新 记 录 ， 彷 佛 完 美 解 决 了 问 题 。 在 T L B 和 P a g e   T a b l e 加 持 之 下 ， C P U 感 觉 最 近 M M U 比 较 给 力 了 ， 就 问 M M U 怎 么 做 到 的 ？ M M U 就 一 五 一 十 告 诉 了 C P U 。 C P U 说 是 个 不 错 的 路 子 ， 随 后 说 出 了 自 己 的 建 议 ： T L B 还 是 有 点 小 ， 缓 存 不 命 中 也 是 经 常 发 生 的 ， 要 不 要 搞 个 大 的 ， 这 样 存 储 更 多 访 问 更 快 ？ M M U 一 脸 苦 笑 说 道 大 哥 T L B 很 贵 的 ， 要 不 你 给 涨 点 外 包 费 ？ 话 音 未 落 ， C P U 就 说 涨 工 资 是 不 可 能 了 ， 这 辈 子 都 不 可 能 了 。 > > > 高 能 预 警 高 能 预 警   敲 黑 板 敲 黑 板   本 段 小 结 本 段 小 结 < < < 1 .   C P U 要 根 据 用 户 进 程 提 供 的 虚 拟 地 址 来 获 取 真 实 数 据 ， 但 是 它 并 不 自 己 做 而 是 交 给 了 M M U 。 。 2 .   M M U 也 是 个 聪 明 的 家 伙 ， 集 成 了 T L B 来 存 储 C P U 最 近 常 用 的 页 表 项 来 加 速 寻 址 ， T L B 找 不 到 再 去 全 量 页 表 寻 址 ， 可 以 认 为 T L B 是 M M U 的 缓 存 。 3 .   T L B 的 容 量 毕 竟 有 限 ， 为 此 必 须 依 靠 P a g e   T a b l e 一 起 完 成 T L B   M i s s 情 况 的 查 询 ， 并 且 更 新 到 T L B 建 立 新 映 射 关 系 。 5 . 缺 页 异 常 P a g e   F a u l t 大 揭 秘
设 想 C P U 给 给 M M U 的 虚 拟 地 址 在 的 虚 拟 地 址 在 T L B 和 和 P a g e   T a b l e 都 没 有 找 到 对 应 的 物 理 页 帧 或 者 权 限 不 对 ， 该 怎 么 办 呢 ？ 都 没 有 找 到 对 应 的 物 理 页 帧 或 者 权 限 不 对 ， 该 怎 么 办 呢 ？ 没 错 ， 这 就 是 缺 页 异 常 P a g e   F a u l t ， 它 是 一 个 由 硬 件 中 断 触 发 的 可 以 由 软 件 逻 辑 纠 正 的 错 误 它 是 一 个 由 硬 件 中 断 触 发 的 可 以 由 软 件 逻 辑 纠 正 的 错 误 。 5 . 1   P a g e F a u l t ， 它 来 了 假 如 目 标 内 存 页 在 物 理 内 存 中 没 有 对 应 的 页 帧 或 者 存 在 但 无 对 应 权 限 没 有 对 应 的 页 帧 或 者 存 在 但 无 对 应 权 限 ， C P U   就 无 法 获 取 数 据 就 无 法 获 取 数 据 ， 这 种 情 况 下 C P U 就 会 就 会 报 告 一 个 缺 页 错 误 报 告 一 个 缺 页 错 误 。 由 于 C P U 没 有 数 据 就 无 法 进 行 计 算 ， C P U 罢 工 了 用 户 进 程 也 就 出 现 了 缺 页 中 断 用 户 进 程 也 就 出 现 了 缺 页 中 断 ， 进 程 会 从 用 户 态 切 换 到 内 核 态 ， 并 将 缺 页 中 断 交 给 内 核 的   P a g e   F a u l t   H a n d l e r   处 理 。 缺 页 异 常 并 不 可 怕 ， 只 要 C P U 要 的 虚 拟 地 址 经 过 M M U 的 一 番 寻 址 之 后 没 有 找 到 或 者 找 到 后 无 权 限 ， 就 会 出 现 缺 页 异 常 ， 因 此 触 发 异 常 后 的 处 理 流 程 将 是 重 点 内 容 。 5 . 2   缺 页 错 误 的 分 类 处 理 缺 页 中 断 会 交 给 P a g e F a u l t H a n d l e r 处 理 ， 其 根 据 缺 页 中 断 的 不 同 类 型 会 进 行 不 同 的 处 理 ： H a r d   P a g e   F a u l t 也 被 称 为 M a j o r   P a g e   F a u l t ， 翻 译 为 硬 缺 页 错 误 / 主 要 缺 页 错 误 ， 这 时 物 理 内 存 中 没 有 对 应 的 页 帧 ， 需 要 C P U 打 开 磁 盘 设 备 读 取 到 物 理 内 存 中 ， 再 让 M M U 建 立 V A 和 P A 的 映 射 。
S o f t   P a g e   F a u l t 也 被 称 为 M i n o r   P a g e   F a u l t ， 翻 译 为 软 缺 页 错 误 / 次 要 缺 页 错 误 ， 这 时 物 理 内 存 中 是 存 在 对 应 页 帧 的 ， 只 不 过 可 能 是 其 他 进 程 调 入 的 ， 发 出 缺 页 异 常 的 进 程 不 知 道 而 已 ， 此 时 M M U 只 需 要 建 立 映 射 即 可 ， 无 需 从 磁 盘 读 取 写 入 内 存 ， 一 般 出 现 在 多 进 程 共 享 内 存 区 域 。 I n v a l i d   P a g e   F a u l t 翻 译 为 无 效 缺 页 错 误 ， 比 如 进 程 访 问 的 内 存 地 址 越 界 访 问 ， 又 比 如 对 空 指 针 解 引 用 内 核 就 会 报 s e g m e n t   f a u l t 错 误 中 断 进 程 直 接 挂 掉 。 5 . 3   缺 页 错 误 出 现 的 原 因 不 同 类 型 的 P a g e   F a u l t 出 现 的 原 因 也 不 一 样 ， 常 见 的 几 种 原 因 包 括 ： 非 法 操 作 访 问 越 界 非 法 操 作 访 问 越 界 这 种 情 况 产 生 的 影 响 也 是 最 大 的 ， 也 是 C o r e d u m p 的 重 要 来 源 ， 比 如 空 指 针 解 引 用 或 者 权 限 问 题 等 都 会 出 现 缺 页 错 误 。 使 用 使 用 m a l l o c 新 申 请 内 存 新 申 请 内 存 m a l l o c 机 制 是 延 时 分 配 内 存 ， 当 使 用 m a l l o c 申 请 内 存 时 并 未 真 实 分 配 物 理 内 存 ， 等 到 真 正 开 始 使 用 m a l l o c 申 请 的 物 理 内 存 时 发 现 没 有 才 会 启 动 申 请 ， 期 间 就 会 出 现 P a g e   F a u l t 。 访 问 数 据 被 访 问 数 据 被 s w a p 换 出 换 出 物 理 内 存 是 有 限 资 源 ， 当 运 行 很 多 进 程 时 并 不 是 每 个 进 程 都 活 跃 ， 对 此 O S 会 启 动 内 存 页 面 置 换 将 长 时 间 未 使 用 的 物 理 内 存 页 帧 放 到 s w a p 分 区 来 腾 空 资 源 给 其 他 进 程 ， 当 存 在 于 s w a p 分 区 的 页 面 被 访 问 时 就 会 触 发 P a g e   F a u l t 从 而 再 置 换 回 物 理 内 存 。
> > >   敲 黑 板 敲 黑 板   划 重 点 划 重 点   本 段 小 结 ： 本 段 小 结 ： < < < 触 发 P a g e   F a u l t 的 原 因 可 能 有 很 多 ， 归 根 到 底 也 只 有 几 种 大 类 ： 1 .   如 使 用 共 享 内 存 区 域 ， 没 有 存 储 V A - > P A 的 映 射 但 是 存 在 物 理 页 帧 的 软 缺 页 错 误 ， 在 P a g e   T a b l e / T L B 中 建 立 映 射 关 系 即 可 。 2 .   访 问 的 地 址 在 物 理 内 存 中 确 实 不 存 在 ， 需 要 从 磁 盘 / s w a p 分 区 读 入 才 能 使 用 ， 这 种 性 能 影 响 会 比 较 大 ， 因 为 磁 盘 太 慢 了 ， 尽 量 使 用 高 性 能 的 S S D 来 降 低 延 时 。 3 .   访 问 的 地 址 内 存 非 法 ， 缺 页 错 误 会 升 级 触 发 S I G S E G V 信 号 结 束 进 程 ， 这 种 属 于 可 以 导 致 进 程 挂 掉 的 一 种 缺 页 错 误 。 6 . 全 文 总 结 本 文 粗 浅 地 和 大 家 一 起 学 习 了 P a g e   F a u l t 的 相 关 知 识 点 ， 包 括 L i n u x 虚 拟 地 址 和 物 理 地 址 的 关 系 、 C P U 获 取 内 存 数 据 的 过 程 、 M M U 和 T L B & 页 表 的 协 同 配 合 、 缺 页 异 常 产 生 的 原 因 和 分 类 处 理 。 本 文 并 没 有 对 M M U 的 内 部 机 制 、 内 核 态 & 用 户 态 缺 页 异 常 、 缺 页 异 常 处 理 函 数 等 内 容 进 行 展 开 ， 主 要 是 因 为 这 部 分 内 容 相 对 晦 涩 ， 还 得 靠 自 己 深 入 研 究 。 本 文 旨 在 把 火 点 燃 而 不 是 把 桶 填 满 ， 对 于 文 中 相 关 知 识 点 ， 欢 迎 交 流 沟 通 学 习 。 感 谢 各 位 老 铁 的 倾 情 安 排 ， 下 期 再 见 ！ ● 输 入 m 获 取 文 章 目 录 推 荐 推 荐 ↓ ↓ ↓
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