Page Fault vs Segmentation Fault：真正的区别与内核处理流程

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Page Fault vs Segmentation Fault：真正的区别与内核处理流程

在 Linux 系统中，很多人在程序崩溃时会看到熟悉的错误信息：

Segmentation fault (core dumped)

这似乎说明程序出现了“内存访问错误”。但背后到底发生了什么？这和操作系统中的 Page Fault（页错误） 有什么关系？

本文将从概念、触发流程、内核代码处理、异常信号以及实际案例来全面剖析 Page Fault 与 Segmentation Fault 的本质区别与联系，帮助读者理解它们在 Linux 内核中的真实工作机制。

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一、概念清晰化：Page Fault 与 Segmentation Fault

✅ Page Fault 是什么？

Page Fault 是一种 正常的中断机制，指的是程序访问了一个尚未映射物理页帧的虚拟地址时，由硬件（CPU）向操作系统发出的中断。

这通常发生在：

• 第一次访问 malloc/mmap 分配的内存
• 栈自动增长
• 读取换出到磁盘的页（swap-in）

如果地址合法，操作系统会分配页帧或执行换页操作，处理完毕后程序继续执行。

❌ Segmentation Fault 是什么？

Segmentation Fault 是一种 严重的内存访问错误，指程序访问了不允许访问的虚拟地址或具有不当权限的地址，内核判定为非法后发出 SIGSEGV 信号，导致程序崩溃。

常见原因：

• 访问 NULL 指针（0x0 地址）
• 数组越界访问未映射页
• 写入只读内存区域（如 .text 段）
• 释放后访问（use-after-free）

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二、关系揭示：它们之间是什么关系？

✅ 一句话总结：

所有 Segmentation Fault 都是 Page Fault，但不是所有 Page Fault 都是 Segmentation Fault。

• Page Fault 是机制，属于访问虚拟页时的一次页表异常
• Segmentation Fault 是后果，是非法 Page Fault 的处理结果

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三、实际流程解析：一次 Page Fault 的内核处理路径

以 x86_64 架构为例，当用户态程序访问虚拟地址时：

1. CPU 检查页表，发现页未映射，触发中断 #PF（Page Fault）

2. 进入内核：

   do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long address, unsigned int error_code);
   

3. 内核检查该地址是否属于合法区间（如 VMA）

4. 如果合法：

   • 调用 handle_mm_fault() → alloc_pages() → 建立映射 → 返回用户态

5. 如果非法：

   • 调用 bad_area() → 向进程发送 SIGSEGV

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四、代码级逻辑核心函数一览

函数名	作用说明
do_page_fault()	Page Fault 异常入口函数
find_vma()	查找虚拟地址是否落入合法区间
handle_mm_fault()	执行缺页处理（如分配页、换页等）
vmalloc_fault()	处理 vmalloc 虚拟区间的特例 fault
bad_area()	地址非法或权限错误，生成 SIGSEGV 信号
force_sig_info()	向当前进程发送 SIGSEGV 信号

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五、典型案例：正常 Page Fault vs 错误 Page Fault

✅ 案例1：合法缺页

char *buf = malloc(4096);
buf[0] = 'A';  // 第一次写，触发合法 Page Fault

• malloc() 仅创建虚拟地址映射；
• 第一次访问时触发 Page Fault，内核分配页帧；
• 返回后程序继续运行。

❌ 案例2：非法访问

char *p = NULL;
*p = 1;  // Segmentation Fault

• NULL 是无效地址（0x0）
• Page Fault 发生 → 地址不合法 → 触发 SIGSEGV

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六、信号机制与用户态结果

当 Segmentation Fault 发生时，内核向进程发送：

SIGSEGV（信号编号 11）

默认行为：终止进程并生成 core dump，可通过 ulimit -c unlimited 启用。

程序崩溃提示：

Segmentation fault (core dumped)

可以用 gdb ./a.out core 调试查看崩溃位置。

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七、与调试工具的联动：perf + crash + ftrace

工具	用途
perf	分析 page-fault 热点函数位置
ftrace	跟踪 handle_mm_fault / do_page_fault 调用链
crash	在内核崩溃时检查进程页表、VMA 信息

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八、总结回顾

对比点	Page Fault	Segmentation Fault
是否是错误	❌ 不一定	✅ 是非法访问
由谁处理	内核页异常处理函数	内核产生 SIGSEGV 信号
是否可恢复	✅ 可以（合法地址）	❌ 不可恢复（直接终止进程）
是否导致崩溃	❌ 不一定	✅ 通常导致程序崩溃

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九、一句话总结

Page Fault 是虚拟地址管理的调度机制，而 Segmentation Fault 是非法内存访问的结果。在 Linux 内核中，二者一脉相承，却职责不同，掌握它们的区别是理解 Linux 内存系统和调试问题的核心基础。

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