缺页错误Page Fault

文章讲述了32位Linux系统中,进程如何通过MMU管理和虚拟地址空间,以及MMU、页表和TLB的角色。重点介绍了内存惰性分配、缺页中断的几种类型及其处理方式,包括硬缺页错误、软缺页错误和无效缺页错误。

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以32位的Linux系统为例,每个进程独立拥有4GB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4GB的物理地址空间。

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。

CPU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MMU,MMU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。

每个进程都会有自己的页表Page Table,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,MMU收到CPU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。

MMU集成了TLB来存储CPU最近常用的页表项来加速寻址,TLB找不到再去全量页表寻址,可以认为TLB是MMU的缓存。TLB的容量毕竟有限,为此必须依靠Page Table一起完成TLB Miss情况的查询,并且更新到TLB建立新映射关系。

当CPU给MMU的虚拟地址在TLB和Page Table都没有找到对应的物理页帧或者权限不对,CPU 就无法获取数据,这种情况下CPU就会报告一个缺页错误。

由于CPU没有数据就无法进行计算,CPU罢工了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 Page Fault Handler 处理。

缺页中断会交给PageFaultHandler处理,其根据缺页中断的不同类型会进行不同的处理:

  • Hard Page Fault
    也被称为Major Page Fault,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CPU打开磁盘设备读取到物理内存中,再让MMU建立VA和PA的映射。

  • Soft Page Fault
    也被称为Minor Page Fault,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MMU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。

  • Invalid Page Fault
    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segment fault错误中断进程直接挂掉。

图解|什么是缺页错误Page Fault - 简书

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