Linux缺页异常

关键词说明：
VA：Virtual Address 虚拟地址
PA：Physical Address 物理地址
MMU：Memory Manage Unit 内存管理单元
TLB：Translation Lookaside Buffer 旁路快表缓存/地址变换高速缓存
PTE：Page Table Entry 分页表项

（1）    内存延时分配

    以Linux系统为例，每个进程拥有独立的虚拟地址空间，32位系统是4GB的VA虚拟地址空间，64位则可以分配更大。但是在实际中没有必要也不可能为每个进程都分配4G以上的PA物理地址空间。即VA很大，但是实际对应的PA很小。

    在Linux中，分页模式在逻辑上将虚拟内存和物理内存同时等分成固定大小的块。这些块在虚拟内存上称之为「页」，而在物理内存上称之为「页帧」，并交由 CPU 中的 MMU 模块来负责页帧和页之间的映射管理。

    所以只有当程序运行时用到了才会去VA中寻找对应的页帧，找不到就再进行分配，这就是内存的延时分配机制。保证内存利用率和服务器利用率，资源合理分配。

（2）    MMU和PTE

    CPU不和物理内存交互，而是通过MMU进行内存管理。每个进程都有自己的页表，存储进程中VA到PA的映射关系，像一张地图。MMU收到CPU的VA后查询页表，来确定是否存在映射以及读写权限是否正常。

    而对于4GB的虚拟地址且大小为4KB的页，一级页表将有2^20个表项，页表占有连续内存并且存储空间大，多级页表可以有效降低页表的存储空间以及内存连续性要求，但是多级页表同时也带来了查询效率问题。

    总结：进程拥有自己的页表，CPU运行该进程，MMU会去页表查询VA和PA的映射关系。而不同页组成页表，可以选择一级连续存储，但占用空间大。也可以选择多级页表离散存储，但查询效率低。

（3）    MMU和TLB

    CPU根据用户进程提供的虚拟地址来获取真实数据，交给MMU。但是MMU在PTE页表中查询费时费力，所以集成一个TLB快表来加速寻址，即CPU向MMU传入虚拟地址时，MMU先查询TLB快表，有没有直接对应的物理地址，有就直接把PA发送给CPU，没有就去PTE页表查询，并更新TLB。

    所以TLB不满的时候直接存储新纪录，但TLB内存较小，当满了就把旧纪录清除写入新纪录。

    总结：MMU收到CPU的VA先查询TLB，没有找到PA再查询PTE，相当于TLB快表存储的是CPU常用的VA映射PA。可以认为TLB时MMU的缓存。

（4）    缺页异常

    如果CPU给MMU的VA在TLB和PTE都没找到对应的物理页帧或者权限不对，这就是一个缺页异常，Page Fault，它是一个由硬件中断触发的可以由软件逻辑纠正的错误。

    PageFault：目标进程内存页在物理内存没有对应的页帧或无相应权限，CPU就没有数据，无法工作，用户进程被迫停止，出现了缺页中断，进程从用户态—>内核态。将缺页中断交给内核中的Page Fault Handler 处理。

（5）    缺页异常的分类处理

    在内核的Page Fault Handler中会根据缺页中断的不同类型进行不同处理。

    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。

（6）    缺页异常出现的原因

A． 非法操作访问越界

这种情况产生的影响也是最大的，也是Coredump的重要来源，比如空指针解引用或者权限问题等都会出现缺页错误。

（Coredump：程序由于异常或BUG在运行中退出或终止，产生一个叫core的文件，该文件包含了程序运行时的内存，寄存器状态，堆栈指针，内存管理信息以及各种函数调用堆栈信息。即程序工作当前状态存储生成的第一个文件，通过工具分析这个文件，可以定位到程序异常退出时调用的堆栈信息，找出问题所在并及时解决。Core文件默认存储位置与对应的exe文件在同一目录下，文件名时core。查看core文件所在位置： cat  /proc/sys/kernel/core_pattern）

B． 使用malloc新申请内存

malloc机制是延时分配内存，当使用malloc申请内存时并未真实分配物理内存，等到真正开始使用malloc申请的物理内存时发现没有才会启动申请，期间就会出现Page Fault。

C． 访问数据被swap换出

物理内存是有限资源，当运行很多进程时并不是每个进程都活跃，对此OS会启动内存页面置换将长时间未使用的物理内存页帧放到swap分区来腾空资源给其他进程，当存在于swap分区的页面被访问时就会触发Page Fault从而再置换回物理内存。

总结：触发Page Fault的原因可能有很多，归根到底也只有几种大类：

（1）如使用共享内存区域，没有存储VA->PA的映射但是存在物理页帧的软缺页错误，在Page Table/TLB中建立映射关系即可。

（2）访问的地址在物理内存中确实不存在，需要从磁盘/swap分区读入才能使用，这种性能影响会比较大，因为磁盘太慢了，尽量使用高性能的SSD来降低延时。

（3）访问的地址内存非法，缺页错误会升级触发SIGSEGV信号结束进程，这种属于可以导致进程挂掉的一种缺页错误

参考文章：

https://blog.csdn.net/Mind_programmonkey/article/details/116722530【计算机操作系统-内存管理】-内存的缺页异常是什么？现在有逻辑地址，但是物理地址没有加载到内存会怎么样？

https://liam.page/2017/09/01/page-fault/【内存缺页错误】

https://blog.51cto.com/u_15471709/4868198【coredump详解】