缺页中断（Page Fault）详解

缺页中断是操作系统中内存管理的关键机制，当进程访问的虚拟内存页面不在物理内存（RAM）中时，由 MMU（内存管理单元） 触发 CPU 异常，操作系统通过中断处理程序将缺失的页面从磁盘（如交换空间或文件系统）加载到内存，使进程继续执行。

一. 缺页中断的触发条件
CPU 访问虚拟地址时，MMU 检查页表发现以下情况会触发缺页中断：

页表项不存在（Invalid Page）：页面未分配或已被释放。

页面不在物理内存（Present Bit = 0）：页面在交换空间或磁盘文件中。

权限不足（Protection Fault）：例如用户程序试图写入只读页面。

二. 缺页中断的处理流程

1. CPU 捕获异常

MMU 发现页面无效，触发 缺页异常（Page Fault Exception）。

CPU 保存当前上下文（寄存器、程序计数器），切换到内核模式。

2. 操作系统处理中断

内核的 缺页中断处理程序 被调用，检查以下信息：

• 触发缺页的 虚拟地址（通过 CR2 寄存器获取）。
• 缺页原因（读/写/执行权限、页面是否存在）。

3. 分类处理缺页类型

• 硬缺页（Hard Page Fault）：

页面在磁盘（交换空间或文件），需从磁盘加载到内存（I/O 操作，速度慢）。

• 软缺页（Soft Page Fault）：

页面在物理内存但未映射到当前进程（如共享内存），只需更新页表。

• 无效缺页（Invalid Page Fault）

：
访问非法地址（如空指针），触发 段错误（Segmentation Fault），终止进程。

4. 加载缺失页面

如果是硬缺页：

• 从磁盘读取页面到 物理内存帧（Page Frame）。
• 更新页表，标记页面为有效（Present Bit = 1）。
• 如果内存已满，触发 页面置换算法（如 LRU、FIFO）换出旧页面。

5. 恢复进程执行

重新执行引发缺页的指令，此时页面已在内存，正常访问。

三. 缺页中断的影响
性能开销：

• 硬缺页涉及磁盘 I/O，速度比内存慢 10^5~106 倍，可能导致进程阻塞。
• 频繁缺页（Thrashing）会显著降低系统性能。

内存利用率优化：

• 通过 按需分页（Demand Paging） 减少内存浪费，仅加载实际使用的页面。

四. 实际应用示例
（1）Linux 中的缺页中断处理
缺页中断入口：arch/x86/mm/fault.c → do_page_fault()。

主要逻辑：

if (页表项无效) {if (地址合法) {分配新页面或从磁盘加载;} else {发送 SIGSEGV 信号杀死进程; // Segmentation Fault}
}

（2）编程中的常见触发场景
访问未初始化的指针（触发无效缺页）：

int *ptr = NULL;
*ptr = 42;  // 触发段错误

动态内存分配（malloc）：
首次访问分配的内存时触发软/硬缺页（实际分配物理页面）。

五. 如何减少缺页中断？

• 优化内存访问局部性：减少随机内存访问（如遍历多维数组时按行操作）。
• 预加载（Prefetching）：提前加载可能需要的页面。
• 调整页面大小：大页（Huge Pages）减少缺页次数（但增加内部碎片）。
• 避免内存抖动（Thrashing）：确保物理内存足够容纳工作集。

六. 相关概念扩展

• 页面置换算法：LRU、FIFO、Clock 算法等。
• 写时复制（Copy-on-Write）：子进程共享父进程页面，仅在写入时触发缺页。
• 内存映射文件（mmap）：文件直接映射到虚拟内存，访问时按需加载。