虚拟内存 和 page fault 的解释

Linux 内核给每个进程都提供了一个独立的虚拟地址空间，并且这个地址空间是连续的。这样进程就可以很方便地访问内存，更确切地说是访问虚拟内存。

1、什么是虚拟内存

假设某个进程需要100MB的空间，而内存假设是16MB的，如果进程直接使用物理地址，就会因为内存不足而无法运行。

既然进程不是直接访问物理内存，那么进程中涉及的内存地址当然也不是物理内存地址。而是虚拟的内存地址，虚拟的内存地址和物理的内存地址之间保持一种映射关系，这种关系由内存管理单元（MMU）进行管理。

内存管理单元（Memory Management Unit，MMU），将物理内存分割成多个pages，MMU管理进程的虚拟地址空间中的page和物理内存中的page之间的映射关系。、

因为是映射，所以随时都可能发生变化，例如某个进程虚拟内存空间中的page1，在不同的时间点，可能出现在物理内存中的不同位置（当发生了页交换时）。

2、什么是 page fault

虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分。并不是所有的虚拟内存都会分配物理内存，只有那些实际使用的虚拟内存才分配物理内存，并且分配后的物理内存，是通过内存映射来管理的。

当进程访问它的虚拟地址空间中的page时，如果这个page目前还不在物理内存中，此时CPU是不能工作的，Linux会产生一个hard page fault中断。系统需要从慢速设备（如磁盘）将对应的数据page读入物理内存，并建立物理内存地址与虚拟地址空间page的映射关系。然后进程才能访问这部分虚拟地址空间的内存。

page fault 又分为三种：minor page fault、major page fault、invalid（segment fault）。

2.1、minor page fault

也称为 soft page fault，指需要访问的内存不在虚拟地址空间，但是在物理内存中，需要MMU建立物理内存和虚拟地址空间的映射关系。

当一个进程在调用 malloc 获取虚拟空间地址后，首次访问该地址会发生一次soft page fault。

通常是多个进程访问同一个共享内存中的数据，当某些进程还没有建立起映射关系，访问时也会出现soft page fault。

2.2、major page fault

也称为 hard page fault，指需要访问的内存不在虚拟地址空间，也不在物理内存中，需要从慢速设备载入。

从磁盘 swap in 回到物理内存就是 hard page fault。

• swap out：当物理内存不够时，把一些物理内存 page 中的内容写入到磁盘，以腾出一些空闲的 page；
• swap in：当CPU要执行的指令被发现已经 swap out 到了磁盘中， 这时就需要从磁盘把这些指令再 swap in 到物理内存中。

注意：swap in 和 swap out 的操作都是比较耗时的。

2.3、invalid（segment fault）

也称为 segment fault，指进程需要访问的内存地址不在它的虚拟地址空间范围内，属于越界访问，内核就会报 segment fault 错误。

造成 segment fault 的原因可能有以下几种：

• 堆栈溢出；
• 内存访问越界，如数组下表错误访问越界；使用strcpy/strcat/sprintf/strcmp 等字符串操作函数导致的读写越界，应尽量使用strncpy/strncat/snprintf/strncmp 等函数；
• 非法指针：野指针，错误的指针转换等；
• 多线程读写的数据未加锁保护，或使用了线程不安全的函数。