Page Fault，你真的理解了吗？

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Page Fault，你真的理解了吗？

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一、开篇思考

• 程序崩溃提示“Segmentation fault”时，背后的真实原因是什么？
• 为什么新分配的内存初次访问时系统会“停一下”？
• Page Fault 与内存管理、按需分配、进程保护的真实联系是什么？
• 发生缺页异常时，硬件与内核各自完成了什么工作？
• 不同CPU架构下Page Fault有无本质区别？
• 如何用bpftrace/trace/ftrace等工具精准追溯Page Fault的发生和处理？
• 怎样用代码和工具验证和实验Page Fault原理？

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二、Page Fault 的本质与意义

1. 概念

Page Fault（缺页异常/缺页中断），指进程访问虚拟地址时，该地址未被映射到物理内存（或权限不符），由CPU检测、自动进入内核异常处理的机制。它是虚拟内存、进程隔离、内存高效利用的基础。

2. 设计目的

• 支持“按需分配”，降低物理内存压力。
• 支持Swap（交换分区/文件），实现超量内存。
• 支持COW（写时复制）、mmap延迟映射等。
• 强化进程隔离和内存保护，防止非法访问。

3. 分类

• Minor Page Fault：页已分配，只需建立页表，无磁盘IO。
• Major Page Fault：需从磁盘（如Swap、文件）读入。
• Invalid Page Fault：非法访问，通常SIGSEGV终止进程。

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三、Page Fault 的发生流程与架构实现

1. 触发机制与步骤

1. 用户态程序访问某虚拟地址。
2. MMU查页表，无有效映射，CPU立即触发Page Fault（同步异常）。
3. CPU硬件自动切换到内核态，跳入异常处理入口（如x86的IDT 14号，ARM的Data Abort向量）。
4. 汇编入口保存现场，跳转到C实现（如do_page_fault）。
5. 内核判断异常原因（按需分配、COW、swap、权限、非法等）。
6. 合法则分配/调页/更新页表，非法则发信号终止进程。
7. 正常时返回用户态继续执行。

2. 各主流架构下的实现差异

• x86/x86_64：#PF异常（IDT 14），入口page_fault，C实现do_page_fault，CR2寄存器存异常地址。
• ARM/ARM64：Data Abort/Translation Fault，入口do_mem_abort→do_page_fault，FAR/ESR等寄存器存信息。
• RISC-V：Page Fault异常，机制相同，入口与寄存器命名不同。
• 不同架构保存现场、异常号、寄存器有差异，但本质机制一致。

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四、代码与实验示例

1. 非法访问实验

int *ptr = (int*)0x123456; // 非法地址
*ptr = 42; // 必然触发Page Fault，最终SIGSEGV

• 运行strace ./no_correct看到最后SIGSEGV信号，但不直接显示Page Fault细节。
• 用bpftrace追踪异常地址：

sudo bpftrace -e 'tracepoint:exceptions:page_fault_user { printf("Page fault from PID %d at address 0x%lx\n", pid, args->address); }' | grep 0x123456

• 可以直接抓到异常访问的Page Fault事件。

2. 按需分配实验

char *buf = malloc(4096*10); // 只分配虚拟空间
buf[0] = 'A';    // 第一次写入，Page Fault分配物理页
buf[4096] = 'B'; // 跨页访问，再次Page Fault

• 用perf stat -e page-faults ./page_fault，可见多次Page Fault（每新页一次）。
• 用bpftrace可抓到每次Page Fault的地址。

3. 配合 ftrace/function_graph 追溯内核调用链

# 设置只跟踪do_page_fault及其调用链
# 可用set_ftrace_pid只看你自己的进程

echo 0 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
echo nop > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
echo do_page_fault > /sys/kernel/debug/tracing/set_graph_function
echo function_graph > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
echo 12345 > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_pid   # 替换为你的PID
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on
./page_fault
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace > trace.log

• trace.log 展示 do_page_fault → handle_mm_fault 等详细调用层级，结合源码可分析真实分配、异常、回页等分支。

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五、Page Fault 相关机制与常见误区

1. Page Fault 并不等价于“出错”

• 绝大多数Page Fault是正常的：进程首次访问内存、按需分配、fork写时复制、mmap延迟加载。
• 只有非法越界、权限错误才会变成“错误”。

2. 内存分配=虚拟地址分配+首次访问才Page Fault

• malloc/new 只分虚拟空间，不会立即分物理内存。
• 首次写入才会由Page Fault自动分配物理页。

3. do_page_fault是“内核虚拟内存统一入口”，不只分配

• 处理按需分配、COW、swap、非法访问等所有内存异常。

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六、动手实验最佳实践

1. 简单测试建议在代码结尾加sleep，方便查PID和追踪：

sleep(10);

2. 配合set_ftrace_pid、bpftrace进程名过滤，只抓自己进程的Page Fault。
3. 配合function_graph tracer、tracepoint、perf，多角度观察Page Fault的产生、调用链和统计。
4. 增大trace buffer避免短进程事件丢失。
5. 建议将trace结果输出到文件，配合grep、less分析。

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七、典型核心知识串讲

• Page Fault为同步异常，和CPU执行指令同步发生。
• 内核分minor/major/invalid，后台swap和COW都靠它实现。
• 不同架构流程差异仅在异常入口和寄存器保存，主流程一致。
• strace只能看到信号，ftrace/perf/bpftrace等工具才能深入分析调用链和事件本身。
• do_page_fault、handle_mm_fault、do_anonymous_page等才是实际分配、回页、异常分支的关键。

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八、结语

Page Fault是现代虚拟内存和内存保护的基石。掌握Page Fault原理和追踪手段，不仅有助于性能优化、定位疑难问题，也是内核开发与系统调优的必备能力。

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Page Fault，不只是“异常”或“出错”，更是现代操作系统内存高效管理和安全防护的核心机制。你，现在真的理解了吗？