缺页异常
复习
- 地址转换：沿着一个虚拟地址得到最终的物理地址
- TLB：给频繁的地址转换加一层缓存
- 多级页表：页表本身太大时如何按需展开
TL;DR
- 页表项的有效位为 0，说明这一页当前不在内存
- 访问它会触发缺页异常，CPU 转入内核
- 内核把所需页面从磁盘搬进内存，更新页表
- 处理完，重新执行刚才那条指令，程序毫无察觉
正文
前面默认了一件事：页表里的每一页，都已经在物理内存里了。可内存哪装得下所有页？当访问的页其实不在内存时，怎么办？
这就是缺页异常（page fault）要处理的事。
有效位与缺页
回忆页表项里的有效位：它标记“这一页当前在不在内存”。
- 有效位为 1：这一页在内存里，正常转换
- 有效位为 0：这一页不在内存（可能是首次访问，或已被挪去了磁盘）
当 MMU 发现要访问的页有效位为 0，它没法完成转换，于是触发一个缺页异常，把控制权交给内核。
内核来救场
内核接到这个异常，先判断：这是一次“正常的缺失”，还是程序真的访问了非法地址？
- 如果是合法地址，只是页不在内存：内核去磁盘上找到这一页，读进一个空闲页帧，更新页表（把有效位改成 1），然后返回
- 如果是非法访问（地址根本没分配给这个进程）：那就不是“缺页”，而是真正的错误，内核通常会结束这个进程（就是你见过的“段错误”）
访问一页
│ 有效位 = 1 ──> 照常转换
└ 有效位 = 0 ──> 缺页异常 ──> 内核：
合法？──> 从磁盘调页，更新页表，重试
非法？──> 结束进程
一个精巧的地方
注意最后那句“重新执行刚才那条指令”。缺页处理完之后，内核并不是跳到下一条指令，而是回到触发异常的那一条，让它再执行一次。
这一次，页已经在内存里、页表也更新了，指令就能顺利完成。对程序来说，它只是“稍微卡了一下”，完全不知道自己曾被中断、还惊动了内核和磁盘。
这正是“让程序感觉内存无限大”的关键一步：用不到的页可以不在内存，需要时再临时搬进来。 下一章，我们把这件事讲得更完整。
思考题
缺页异常和“访问了非法地址”都会让 CPU 转入内核，内核怎么区分这两种情况？为什么前者要“重新执行指令”，后者却要结束进程？
小结
知识点
- 有效位标记页面是否在内存
- 有效位为 0 时访问，触发缺页异常
- 内核区分“合法缺页”与“非法访问”
- 合法缺页：调页入内存、更新页表、重试指令
参考资料
- Wikipedia(zh)：缺页错误：page fault
- Wikipedia(zh)：虚拟内存：按需分页
思考题答案（仅供参考）
内核通过“这个地址是否属于该进程合法的地址空间”来区分：如果合法，只是页面暂时不在内存，就是正常的缺页；如果根本不属于它，就是非法访问。前者要“重新执行指令”，因为这次执行失败了，但页补进来之后同一条指令就能成功，程序应当继续往下走；后者则无法补救——这个访问本身就不该发生，继续执行只会越来越错，所以通常直接结束进程。一个是“暂时缺东西”，一个是“根本不该碰”，处理方式自然不同。
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设计师 | 南国微雪