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补充缺页异常的处理流程和进程虚拟地址空间的布局，增加配图和实测附录。
2026-11-01 19:53:43 +00:00 · 2026-10-28 13:35:25 +08:00
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    * [段页式](#段页式)
    * [分页与分段的比较](#分页与分段的比较)
    * [附录：实测](#附录实测)
+        * [A1 页面置换模拟](#a1-页面置换模拟)
+        * [A2 缺页次数](#a2-缺页次数)
+        * [A3 进程的地址空间布局](#a3-进程的地址空间布局)
    * [参考资料](#参考资料)
 <!-- GFM-TOC -->

@@ -42,6 +45,18 @@

 64 位系统的地址空间很大，如果用一张页表覆盖全部地址，页表本身就会非常大，因此使用多级页表，只为用到的地址分配下一级页表。例如 x86-64 通常使用 4 级页表，48 位虚拟地址分为 4 个 9 位的页表索引和 12 位的页内偏移。

+MMU 查页表时发现页不在内存中，或者这次访问违反了页的权限（例如写只读页），就会触发缺页异常（Page Fault），由操作系统处理：
+
+1. 保存现场，取得引发缺页的虚拟地址；
+2. 检查地址是否合法，地址不属于进程的任何区域或者权限不符（例如写代码段）时，向进程发送 SIGSEGV 信号，也就是常见的段错误；
+3. 按页的来源准备页框：第一次访问的堆、栈等匿名页分配一个页框并清零；代码和 mmap 映射的文件页先在页缓存中找，找到就直接映射，找不到才分配页框并读磁盘；换出到交换区的页从交换区读回；fork 之后写共享的页时复制一份（写时复制）；
+4. 需要页框而内存不足时，先用页面置换算法换出一页，被修改过的页要先写回磁盘；
+5. 更新页表项，回到用户态重新执行引发缺页的那条指令。
+
+需要读磁盘的缺页称为主要缺页（Major Fault），进程要阻塞到 I/O 完成，期间 CPU 去运行其它进程；不需要 I/O 的称为次要缺页（Minor Fault），只需分配、清零或复制页框并修改页表。缺页异常属于异常，在执行某条指令的过程中同步产生，处理完后重新执行这条指令；外部中断由设备异步产生，处理完后继续执行下一条指令，见[中断分类](计算机操作系统%20-%20概述.md#中断分类)。
+
+例如用 mmap 申请 256 MB 的匿名内存后，进程的常驻内存（RSS）几乎不变；逐页写入一遍，触发 65536 次次要缺页（256 MB / 4 KB），RSS 增加到 257 MB，再写一遍就不再缺页。fork 出的子进程把这些页再写一遍，又触发 65536 次缺页，每次复制一页，父进程中的值不受影响（Ubuntu 24.04 实测，见[附录 A2](#a2-缺页次数)）。这也说明申请内存只是分配了虚拟地址，真正用到时才占用物理内存。
+
 ## 页面置换算法

 在程序运行过程中，如果要访问的页面不在内存中，就发生缺页中断从而将该页调入内存中。此时如果内存已无空闲空间，系统必须从内存中调出一个页面到磁盘对换区中来腾出空间。
@@ -62,7 +77,7 @@
 7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1
 ```

-开始运行时，先将 7、0、1 三个页面装入内存。当进程要访问页面 2 时，产生缺页中断，会将页面 7 换出，因为页面 7 再次被访问的时间最长。按这个规则走完整个序列共缺页 9 次；同样的序列和 3 个物理块，LRU 缺页 12 次，FIFO 缺页 15 次（逐步模拟，见[附录：实测](#附录实测)）。
+开始运行时，先将 7、0、1 三个页面装入内存。当进程要访问页面 2 时，产生缺页中断，会将页面 7 换出，因为页面 7 再次被访问的时间最长。按这个规则走完整个序列共缺页 9 次；同样的序列和 3 个物理块，LRU 缺页 12 次，FIFO 缺页 15 次（逐步模拟，见[附录 A1](#a1-页面置换模拟)）。

 ### 2. 最近最久未使用

@@ -134,8 +149,19 @@ FIFO 算法可能会把经常使用的页面置换出去，为了避免这一问

 需要注意的是，x86-64 的 64 位模式下分段基本不再使用，代码段、数据段的基址都按 0 处理（FS、GS 除外，用于线程局部存储），Linux 等系统只用分页来管理内存。

+虽然不用分段，Linux 仍然把进程的地址空间划分成代码、数据、堆、栈等区域，每个区域是一段连续的虚拟地址，区域之间的大片空白不分配页框。下图是 Ubuntu 上一个小程序打印出的各部分地址（实测，见[附录 A3](#a3-进程的地址空间布局)）：
+
+<div align="center"> <img src="pics/proc-vm-layout.png" width="740px"/> </div><br>
+
+- 代码段、数据段和 BSS 在低地址，大小在程序加载时就确定了，BSS 存放未初始化的全局变量，加载时清零；
+- 堆从低地址向高地址增长，malloc 申请小块内存时通过 brk 扩大堆，大块内存（glibc 的阈值初始为 128 KB）改用 mmap 单独映射；
+- 栈从高地址向低地址增长，Ubuntu 默认最大 8 MB（ulimit -s）；
+- 共享库、mmap 映射的文件和大块内存放在堆和栈之间的内存映射区。
+
 ## 附录：实测

+### A1 页面置换模拟
+
 用 Python 逐步模拟 3 个物理块下的页面置换，引用序列为 OPT 一节中的例子。Clock 的结果与新装入页面的 R 位取 0 还是 1、指针从哪里开始有关，这里装入时置 1：

 ```text
@@ -146,8 +172,73 @@ FIFO  缺页 15 次
 Clock 缺页 14 次
 ```

+### A2 缺页次数
+
+Docker Desktop 中的 Ubuntu 24.04 容器（Apple M1 Pro，aarch64，内核 6.10.14-linuxkit，页大小 4 KB），gcc 13.3。用 mmap 申请 256 MB 匿名内存，用 getrusage 的 ru_minflt、ru_majflt 统计缺页次数，从 /proc/self/status 读 VmRSS：
+
+```c
+char *p = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
+madvise(p, size, MADV_NOHUGEPAGE);
+for (size_t i = 0; i < size; i += page) p[i] = 1;   // 逐页写入
+for (size_t i = 0; i < size; i += page) p[i] = 2;   // 再写一遍
+if (fork() == 0) {
+    for (size_t i = 0; i < size; i += page) p[i] = 3;   // 子进程写入，触发写时复制
+    _exit(0);
+}
+```
+
+```text
+页大小 4096 字节，共 65536 页，MADV_NOHUGEPAGE
+mmap 之后：  次要缺页 +0，RSS 1 MB
+逐页写入后：次要缺页 +65536，主要缺页 0，RSS 257 MB
+再写一遍：  次要缺页 +0
+子进程逐页写入（写时复制）：次要缺页 +65536
+父进程中的值仍为 2
+```
+
+容器所在虚拟机的透明大页设置为 always，不调用 madvise 时内核用 2 MB 的大页映射，逐页写入只触发 128 次缺页（256 MB / 2 MB）；Ubuntu 默认的设置是 madvise，不主动申请时使用 4 KB 的页，与上面的结果一致。
+
+### A3 进程的地址空间布局
+
+同一个容器，gcc 13.3 编译（默认生成位置无关的可执行文件），开启地址空间布局随机化，打印各部分的地址和 /proc/self/maps（节选）：
+
+```c
+int inited = 1024;        // 数据段
+int uninited;             // BSS
+int main(void) {
+    int local = 0;                     // 栈
+    char *small = malloc(64);          // 堆
+    char *big = malloc(1 << 20);       // 超过 mmap 阈值，单独映射
+    printf("代码 main     %p\n", (void *)main);
+    // ……依次打印 &inited、&uninited、small、big、printf、&local，再输出 /proc/self/maps
+}
+```
+
+```text
+代码 main     0xaaaaafbc0a18
+数据 inited   0xaaaaafbe0010
+BSS  uninited 0xaaaaafbe0018
+堆   small    0xaaaacdcad2a0
+映射 big      0xffff9928f010
+共享库 printf 0xffff993e0590
+栈   local    0xffffcdcad8fc
+aaaaafbc0000-aaaaafbc1000 r-xp 00000000 00:40 841313      /tmp/layout
+aaaaafbe0000-aaaaafbe1000 rw-p 00010000 00:40 841313      /tmp/layout
+aaaacdcad000-aaaacdcce000 rw-p 00000000 00:00 0           [heap]
+ffff9928f000-ffff99390000 rw-p 00000000 00:00 0
+ffff99390000-ffff9952a000 r-xp 00000000 00:40 831743      /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libc.so.6
+ffffcdc8d000-ffffcdcae000 rw-p 00000000 00:00 0           [stack]
+$ ulimit -s
+8192
+```
+
+再运行一次，各区域的起始地址都变了（例如 main 为 0xaaaabc070a18、local 为 0xffffd6a9311c），上下顺序不变。
+
 ## 参考资料

 - Tanenbaum A S, Bos H. Modern Operating Systems [M]. Pearson, 2014.
 - Silberschatz A, Galvin P B, Gagne G. Operating System Concepts [M]. Wiley, 2018.
 - [Page Tables — The Linux Kernel documentation](https://docs.kernel.org/mm/page_tables.html)
+- [getrusage(2) — Linux manual page](https://man7.org/linux/man-pages/man2/getrusage.2.html)
+- [proc_pid_maps(5) — Linux manual page](https://man7.org/linux/man-pages/man5/proc_pid_maps.5.html)
+- [mallopt(3) — Linux manual page](https://man7.org/linux/man-pages/man3/mallopt.3.html)