什么是缺頁錯(cuò)誤Page Fault

本篇內(nèi)容主要講解“什么是缺頁錯(cuò)誤Page Fault”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“什么是缺頁錯(cuò)誤Page Fault”吧!

術(shù)語約定

• VA：Virtual Address 虛擬地址

• PA：Physical Address 物理地址

• MMU：Memory Manage Unit 內(nèi)存管理單元

• TLB：Translation Lookaside Buffer 旁路快表緩存/地址變換高速緩存

• PTE：Page Table Entry 分頁表項(xiàng)

內(nèi)存的惰性分配

以32位的Linux系統(tǒng)為例，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)立擁有4GB的虛擬地址空間，根據(jù)局部性原理沒有必要也不可能為每個(gè)進(jìn)程分配4GB的物理地址空間。

64位系統(tǒng)也是一樣的道理，只不過空間尋址范圍大了很多很多倍，進(jìn)程的虛擬地址空間會(huì)分為幾個(gè)部分：

實(shí)際上只有程序運(yùn)行時(shí)用到了才去內(nèi)存中尋找虛擬地址對應(yīng)的頁幀，找不到才可能進(jìn)行分配，這就是內(nèi)存的惰性(延時(shí))分配機(jī)制。

對于一個(gè)運(yùn)行中的進(jìn)程來說，不是所有的虛擬地址在物理內(nèi)存中都有對應(yīng)的頁，如圖展示了部分虛擬地址存在對應(yīng)物理頁的情況：

虛擬地址空間根據(jù)固定大小一般是4KB進(jìn)行劃分，物理內(nèi)存可以設(shè)置不同的頁面大小，通常物理頁大小和虛擬頁大小是一樣的，本文按照物理頁4KB大小展開。

經(jīng)過前面的分析，我們將面臨一個(gè)問題：如何將虛擬地址準(zhǔn)確快速地映射到物理頁呢?

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• 1. Linux的虛擬地址空間就是空頭支票，看著很大但是實(shí)際對應(yīng)的物理空間只有很少的一部分。

• 2.內(nèi)存的惰性分配是個(gè)有效的機(jī)制，可以保證內(nèi)存利用率和服務(wù)器利用率，是資源合理配置的方法。

• 3.大量的虛擬地址到物理地址的快速準(zhǔn)確地查詢轉(zhuǎn)換是一個(gè)難題。

CPU如果獲取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)

CPU并不直接和物理內(nèi)存打交道，而是把地址轉(zhuǎn)換的活外包給了MMU，MMU是一種硬件電路，其速度很快，主要工作是進(jìn)行內(nèi)存管理，地址轉(zhuǎn)換只是它承接的業(yè)務(wù)之一。

一起看看MMU是如何搞定地址轉(zhuǎn)換的。

MMU和Page Table

每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有自己的頁表Page  Table，頁表存儲(chǔ)了進(jìn)程中虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系，所以就相當(dāng)于一張地圖，MMU收到CPU的虛擬地址之后開始查詢頁表，確定是否存在映射以及讀寫權(quán)限是否正常，如圖：

對于4GB的虛擬地址且大小為4KB頁，一級頁表將有2^20個(gè)表項(xiàng)，頁表占有連續(xù)內(nèi)存并且存儲(chǔ)空間大，多級頁表可以有效降低頁表的存儲(chǔ)空間以及內(nèi)存連續(xù)性要求，但是多級頁表同時(shí)也帶來了查詢效率問題。

我們以2級頁表為例，MMU要先進(jìn)行兩次頁表查詢確定物理地址，在確認(rèn)了權(quán)限等問題后，MMU再將這個(gè)物理地址發(fā)送到總線，內(nèi)存收到之后開始讀取對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)并返回。

MMU在2級頁表的情況下進(jìn)行了2次檢索和1次讀寫，那么當(dāng)頁表變?yōu)镹級時(shí)，就變成了N次檢索+1次讀寫。

可見，頁表級數(shù)越多查詢的步驟越多，對于CPU來說等待時(shí)間越長，效率越低，這個(gè)問題還需要優(yōu)化才行。

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• 1.頁表存在于進(jìn)程的內(nèi)存之中，MMU收到虛擬地址之后查詢Page Table來獲取物理地址。

• 2.單級頁表對連續(xù)內(nèi)存要求高，于是引入了多級頁表，但是多級頁表也是一把雙刃劍，在減少連續(xù)存儲(chǔ)要求且減少存儲(chǔ)空間的同時(shí)降低了查詢效率。

MMU和TLB的故事

MMU和TLB的故事就這樣開始了...

CPU覺得MMU干活雖然賣力氣，但是效率有點(diǎn)低，不太想繼續(xù)外包給它了，這一下子把MMU急壞了。

MMU于是找來了一些精通統(tǒng)計(jì)的朋友，經(jīng)過一番研究之后發(fā)現(xiàn)CPU用的數(shù)據(jù)經(jīng)常是一小搓，但是每次MMU都還要重復(fù)之前的步驟來檢索，害，就知道埋頭干活了，也得講究方式方法呀!

找到瓶頸之后，MMU引入了新武器，江湖人稱快表的TLB，別看TLB容量小，但是正式上崗之后干活還真是不含糊。

當(dāng)CPU給MMU傳新虛擬地址之后，MMU先去問TLB那邊有沒有，如果有就直接拿到物理地址發(fā)到總線給內(nèi)存，齊活。

TLB容量比較小，難免發(fā)生Cache Miss，這時(shí)候MMU還有保底的老武器頁表 Page  Table，在頁表中找到之后MMU除了把地址發(fā)到總線傳給內(nèi)存，還把這條映射關(guān)系給到TLB，讓它記錄一下刷新緩存。

TLB容量不滿的時(shí)候就直接把新記錄存儲(chǔ)了，當(dāng)滿了的時(shí)候就開啟了淘汰大法把舊記錄清除掉，來保存新記錄，彷佛完美解決了問題。

在TLB和Page Table加持之下，CPU感覺最近MMU比較給力了，就問MMU怎么做到的?MMU就一五一十告訴了CPU。

CPU說是個(gè)不錯(cuò)的路子，隨后說出了自己的建議：TLB還是有點(diǎn)小，緩存不命中也是經(jīng)常發(fā)生的，要不要搞個(gè)大的，這樣存儲(chǔ)更多訪問更快?

MMU一臉苦笑說道大哥TLB很貴的，要不你給漲點(diǎn)外包費(fèi)?話音未落，CPU就說漲工資是不可能了，這輩子都不可能了。

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1. CPU要根據(jù)用戶進(jìn)程提供的虛擬地址來獲取真實(shí)數(shù)據(jù)，但是它并不自己做而是交給了MMU。

2. MMU也是個(gè)聰明的家伙，集成了TLB來存儲(chǔ)CPU最近常用的頁表項(xiàng)來加速尋址，TLB找不到再去全量頁表尋址，可以認(rèn)為TLB是MMU的緩存。

3. TLB的容量畢竟有限，為此必須依靠Page Table一起完成TLB Miss情況的查詢，并且更新到TLB建立新映射關(guān)系。

缺頁異常Page Fault大揭秘

設(shè)想CPU給MMU的虛擬地址在TLB和Page Table都沒有找到對應(yīng)的物理頁幀或者權(quán)限不對，該怎么辦呢?

沒錯(cuò)，這就是缺頁異常Page Fault，它是一個(gè)由硬件中斷觸發(fā)的可以由軟件邏輯糾正的錯(cuò)誤。

 PageFault，它來了

假如目標(biāo)內(nèi)存頁在物理內(nèi)存中沒有對應(yīng)的頁幀或者存在但無對應(yīng)權(quán)限，CPU 就無法獲取數(shù)據(jù)，這種情況下CPU就會(huì)報(bào)告一個(gè)缺頁錯(cuò)誤。

由于CPU沒有數(shù)據(jù)就無法進(jìn)行計(jì)算，CPU罷工了用戶進(jìn)程也就出現(xiàn)了缺頁中斷，進(jìn)程會(huì)從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)，并將缺頁中斷交給內(nèi)核的 Page Fault  Handler 處理。

缺頁異常并不可怕，只要CPU要的虛擬地址經(jīng)過MMU的一番尋址之后沒有找到或者找到后無權(quán)限，就會(huì)出現(xiàn)缺頁異常，因此觸發(fā)異常后的處理流程將是重點(diǎn)內(nèi)容。

 缺頁錯(cuò)誤的分類處理

缺頁中斷會(huì)交給PageFaultHandler處理，其根據(jù)缺頁中斷的不同類型會(huì)進(jìn)行不同的處理：

• Hard Page Fault

也被稱為Major Page  Fault，翻譯為硬缺頁錯(cuò)誤/主要缺頁錯(cuò)誤，這時(shí)物理內(nèi)存中沒有對應(yīng)的頁幀，需要CPU打開磁盤設(shè)備讀取到物理內(nèi)存中，再讓MMU建立VA和PA的映射。

• Soft Page Fault

也被稱為Minor Page  Fault，翻譯為軟缺頁錯(cuò)誤/次要缺頁錯(cuò)誤，這時(shí)物理內(nèi)存中是存在對應(yīng)頁幀的，只不過可能是其他進(jìn)程調(diào)入的，發(fā)出缺頁異常的進(jìn)程不知道而已，此時(shí)MMU只需要建立映射即可，無需從磁盤讀取寫入內(nèi)存，一般出現(xiàn)在多進(jìn)程共享內(nèi)存區(qū)域。

• Invalid Page Fault

翻譯為無效缺頁錯(cuò)誤，比如進(jìn)程訪問的內(nèi)存地址越界訪問，又比如對空指針解引用內(nèi)核就會(huì)報(bào)segment fault錯(cuò)誤中斷進(jìn)程直接掛掉。

 缺頁錯(cuò)誤出現(xiàn)的原因

不同類型的Page Fault出現(xiàn)的原因也不一樣，常見的幾種原因包括：

• 非法操作訪問越界

這種情況產(chǎn)生的影響也是最大的，也是Coredump的重要來源，比如空指針解引用或者權(quán)限問題等都會(huì)出現(xiàn)缺頁錯(cuò)誤。

• 使用malloc新申請內(nèi)存

malloc機(jī)制是延時(shí)分配內(nèi)存，當(dāng)使用malloc申請內(nèi)存時(shí)并未真實(shí)分配物理內(nèi)存，等到真正開始使用malloc申請的物理內(nèi)存時(shí)發(fā)現(xiàn)沒有才會(huì)啟動(dòng)申請，期間就會(huì)出現(xiàn)Page  Fault。

• 訪問數(shù)據(jù)被swap換出

物理內(nèi)存是有限資源，當(dāng)運(yùn)行很多進(jìn)程時(shí)并不是每個(gè)進(jìn)程都活躍，對此OS會(huì)啟動(dòng)內(nèi)存頁面置換將長時(shí)間未使用的物理內(nèi)存頁幀放到swap分區(qū)來騰空資源給其他進(jìn)程，當(dāng)存在于swap分區(qū)的頁面被訪問時(shí)就會(huì)觸發(fā)Page  Fault從而再置換回物理內(nèi)存。

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觸發(fā)Page Fault的原因可能有很多，歸根到底也只有幾種大類：

1. 如使用共享內(nèi)存區(qū)域，沒有存儲(chǔ)VA->PA的映射但是存在物理頁幀的軟缺頁錯(cuò)誤，在Page Table/TLB中建立映射關(guān)系即可。

2.  訪問的地址在物理內(nèi)存中確實(shí)不存在，需要從磁盤/swap分區(qū)讀入才能使用，這種性能影響會(huì)比較大，因?yàn)榇疟P太慢了，盡量使用高性能的SSD來降低延時(shí)。

3. 訪問的地址內(nèi)存非法，缺頁錯(cuò)誤會(huì)升級觸發(fā)SIGSEGV信號結(jié)束進(jìn)程，這種屬于可以導(dǎo)致進(jìn)程掛掉的一種缺頁錯(cuò)誤。

到此，相信大家對“什么是缺頁錯(cuò)誤Page Fault”有了更深的了解，不妨來實(shí)際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！