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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「后端技術(shù)指南針 」，作者程序員大白啊 。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系公眾號(hào)。

1.號(hào)外號(hào)外

各位老鐵，大家好!

上周大白有事停更1次，最近在想如何讓大家在10分鐘中有所收獲，于是準(zhǔn)備搞一個(gè)"什么是xxx"系列，寫(xiě)一些精悍的知識(shí)點(diǎn)。

先拋一道阿里面試題給大家熱熱身，引出今天的主角-缺頁(yè)異常Page Fault。

談?wù)剬?duì)缺頁(yè)異常Page Fault的理解。

話(huà)不多說(shuō)，集合上車(chē)。

 

2. 術(shù)語(yǔ)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(yè)表項(xiàng)

3. 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(méi)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(guò)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(duì)應(yīng)的頁(yè)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(duì)于一個(gè)運(yùn)行中的進(jìn)程來(lái)說(shuō)，不是所有的虛擬地址在物理內(nèi)存中都有對(duì)應(yīng)的頁(yè)，如圖展示了部分虛擬地址存在對(duì)應(yīng)物理頁(yè)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(yè)面大小，通常物理頁(yè)大小和虛擬頁(yè)大小是一樣的，本文按照物理頁(yè)4KB大小展開(kāi)。

經(jīng)過(guò)前面的分析，我們將面臨一個(gè)問(wèn)題：如何將虛擬地址準(zhǔn)確快速地映射到物理頁(yè)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(duì)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(xún)轉(zhuǎn)換是一個(gè)難題。

4. 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。

4.1 MMU和Page Table

每個(gè)進(jìn)程都會(huì)有自己的頁(yè)表Page Table，頁(yè)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(kāi)始查詢(xún)頁(yè)表，確定是否存在映射以及讀寫(xiě)權(quán)限是否正常，如圖：

 

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

 

我們以2級(jí)頁(yè)表為例，MMU要先進(jìn)行兩次頁(yè)表查詢(xún)確定物理地址，在確認(rèn)了權(quán)限等問(wèn)題后，MMU再將這個(gè)物理地址發(fā)送到總線(xiàn)，內(nèi)存收到之后開(kāi)始讀取對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)并返回。

 

MMU在2級(jí)頁(yè)表的情況下進(jìn)行了2次檢索和1次讀寫(xiě)，那么當(dāng)頁(yè)表變?yōu)镹級(jí)時(shí)，就變成了N次檢索+1次讀寫(xiě)。

可見(jiàn)，頁(yè)表級(jí)數(shù)越多查詢(xún)的步驟越多，對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)等待時(shí)間越長(zhǎng)，效率越低，這個(gè)問(wèn)題還需要優(yōu)化才行。

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• 1.頁(yè)表存在于進(jìn)程的內(nèi)存之中，MMU收到虛擬地址之后查詢(xún)Page Table來(lái)獲取物理地址。
• 2.單級(jí)頁(yè)表對(duì)連續(xù)內(nèi)存要求高，于是引入了多級(jí)頁(yè)表，但是多級(jí)頁(yè)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(xún)效率。

4.2 MMU和TLB的故事

MMU和TLB的故事就這樣開(kāi)始了...

CPU覺(jué)得MMU干活雖然賣(mài)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(lái)了一些精通統(tǒng)計(jì)的朋友，經(jīng)過(guò)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(lái)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(chēng)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(wèn)TLB那邊有沒(méi)有，如果有就直接拿到物理地址發(fā)到總線(xiàn)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(yè)表 Page Table，在頁(yè)表中找到之后MMU除了把地址發(fā)到總線(xiàn)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(mǎn)的時(shí)候就直接把新記錄存儲(chǔ)了，當(dāng)滿(mǎn)了的時(shí)候就開(kāi)啟了淘汰大法把舊記錄清除掉，來(lái)保存新記錄，彷佛完美解決了問(wèn)題。

 

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

CPU說(shuō)是個(gè)不錯(cuò)的路子，隨后說(shuō)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(wèn)更快?

MMU一臉苦笑說(shuō)道大哥TLB很貴的，要不你給漲點(diǎn)外包費(fèi)?話(huà)音未落，CPU就說(shuō)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(hù)進(jìn)程提供的虛擬地址來(lái)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(lái)存儲(chǔ)CPU最近常用的頁(yè)表項(xiàng)來(lái)加速尋址，TLB找不到再去全量頁(yè)表尋址，可以認(rèn)為T(mén)LB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(xún)，并且更新到TLB建立新映射關(guān)系。

5.缺頁(yè)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(méi)有找到對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)幀或者權(quán)限不對(duì)，該怎么辦呢?

沒(méi)錯(cuò)，這就是缺頁(yè)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。

 

5.1 PageFault，它來(lái)了

假如目標(biāo)內(nèi)存頁(yè)在物理內(nèi)存中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的頁(yè)幀或者存在但無(wú)對(duì)應(yīng)權(quán)限，CPU 就無(wú)法獲取數(shù)據(jù)，這種情況下CPU就會(huì)報(bào)告一個(gè)缺頁(yè)錯(cuò)誤。

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

 

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

5.2 缺頁(yè)錯(cuò)誤的分類(lèi)處理

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

• Hard Page Fault

也被稱(chēng)為Major Page Fault，翻譯為硬缺頁(yè)錯(cuò)誤/主要缺頁(yè)錯(cuò)誤，這時(shí)物理內(nèi)存中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的頁(yè)幀，需要CPU打開(kāi)磁盤(pán)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(chēng)為Minor Page Fault，翻譯為軟缺頁(yè)錯(cuò)誤/次要缺頁(yè)錯(cuò)誤，這時(shí)物理內(nèi)存中是存在對(duì)應(yīng)頁(yè)幀的，只不過(guò)可能是其他進(jìn)程調(diào)入的，發(fā)出缺頁(yè)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(wú)需從磁盤(pán)讀取寫(xiě)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(wú)效缺頁(yè)錯(cuò)誤，比如進(jìn)程訪問(wèn)的內(nèi)存地址越界訪問(wèn)，又比如對(duì)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。

 

5.3 缺頁(yè)錯(cuò)誤出現(xiàn)的原因

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

• 非法操作訪問(wèn)越界

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

• 使用malloc新申請(qǐng)內(nèi)存

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

• 訪問(wèn)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(duì)此OS會(huì)啟動(dòng)內(nèi)存頁(yè)面置換將長(zhǎng)時(shí)間未使用的物理內(nèi)存頁(yè)幀放到swap分區(qū)來(lái)騰空資源給其他進(jìn)程，當(dāng)存在于swap分區(qū)的頁(yè)面被訪問(wèn)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(lèi)：

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

2. 訪問(wèn)的地址在物理內(nèi)存中確實(shí)不存在，需要從磁盤(pán)/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(pán)太慢了，盡量使用高性能的SSD來(lái)降低延時(shí)。

3. 訪問(wèn)的地址內(nèi)存非法，缺頁(yè)錯(cuò)誤會(huì)升級(jí)觸發(fā)SIGSEGV信號(hào)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(yè)錯(cuò)誤。

 

 

 

 

6.全文總結(jié)

本文粗淺地和大家一起學(xué)習(xí)了Page Fault的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，包括Linux虛擬地址和物理地址的關(guān)系、CPU獲取內(nèi)存數(shù)據(jù)的過(guò)程、MMU和TLB&頁(yè)表的協(xié)同配合、缺頁(yè)異常產(chǎn)生的原因和分類(lèi)處理。

本文并沒(méi)有對(duì)MMU的內(nèi)部機(jī)制、內(nèi)核態(tài)&用戶(hù)態(tài)缺頁(yè)異常、缺頁(yè)異常處理函數(shù)等內(nèi)容進(jìn)行展開(kāi)，主要是因?yàn)檫@部分內(nèi)容相對(duì)晦澀，還得靠自己深入研究。

 

本文旨在把火點(diǎn)燃而不是把桶填滿(mǎn)，對(duì)于文中相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，歡迎交流溝通學(xué)習(xí)。