操作系统中的页面错误处理

在现代操作系统中使用虚拟内存时，页面错误是一个常见且重要的事件。当程序尝试访问内存中当前不在物理内存（RAM）中的部分（“页面”）时，就会发生这种情况。此时，操作系统 (OS) 应该从辅助存储设备（通常是硬盘驱动器或 SSD）重新获取数据，将其加载到 RAM 中，并更新系统的内存表。高效的页面错误处理对于系统性能和稳定性至关重要。

在本文中，您将了解操作系统中的页面错误处理及其步骤。

什么是虚拟内存？

虚拟内存是一种内存管理技术，它为用户和应用程序创建了一种假象，让他们认为可以访问大块连续内存，即使物理内存 (RAM) 有限。这种抽象允许每个进程在其自己的隔离地址空间中运行，从而使多任务处理更安全、更稳定。

虚拟内存不需要将程序的所有内存一次性加载到物理 RAM 中，它只允许将正在使用的部分驻留在内存中。其余部分可以存储在磁盘上，只在需要时才加载到 RAM 中。这项技术不仅增加了可用内存的有效大小，还提高了跨多个进程的内存使用效率。

操作系统中的页面错误是什么？

页面错误更像是**错误**。当程序尝试访问物理内存（主内存）中不存在的内存片段时，就会发生页面错误。此错误通知操作系统将所有数据跟踪到虚拟内存管理中，然后将其从辅助内存重新定位到其主内存，例如硬盘驱动器。

如果请求的页面未加载到内存中，则会发生页面错误陷阱。页面错误主要导致一个异常，该异常用于通知操作系统从虚拟内存中检索**“页面”**以继续操作。一旦所有数据都已放置到物理内存中，程序将恢复正常操作。页面错误过程在后台发生，因此用户不会感知到它。

1. 计算机硬件跟踪到内核，程序计数器通常保存在堆栈上。CPU 寄存器保存有关指令当前状态的信息。
2. 汇编程序启动，它保存通用寄存器和其他易失性数据，以防止操作系统破坏它。

当进程尝试访问当前未映射到 RAM 中物理帧的页面时，会发生页面错误。这种情况可能发生，要么是因为页面已交换到磁盘以释放 RAM，要么是因为页面尚未加载，例如在按需分页期间。页面错误是系统操作的正常部分，由操作系统透明地处理。

页面错误通常有三种类型。次要页面错误发生在页面不在进程的工作集中但仍在内存中其他位置（例如共享内存区域）可用时。主要页面错误发生在系统必须从磁盘获取页面时，这在时间方面会显着增加开销。另一方面，无效页面错误发生在进程尝试访问它无权访问的地址时，例如未分配或受保护的内存区域。在这种情况下，进程通常会被终止。

页面错误术语

操作系统中有各种页面错误术语。一些页面错误术语如下

1. 页面命中

当 CPU 尝试从主内存中获取所需页面且该页面存在于**主内存 (RAM)** 中时，这被称为**“页面命中”**。

2. 页面未命中

如果所需的页面不存在于**主内存 (RAM)** 中，则称为**“页面未命中”**。

3. 页面错误时间

从辅助内存中获取页面并在加载所需页面后从主内存中恢复它所需的时间称为**“页面错误时间”**。

4. 页面错误延迟

线程在内存中定位页面错误的速度称为**“页面错误率”**。页面错误率按秒测量。

5. 硬页面错误

如果所需的页面存在于硬盘的页面文件中，则称为**“硬页面错误”**。

6. 软页面错误

如果所需的页面不在硬盘上但在内存中其他位置找到，则称为**“软页面错误”**。

7. 次要页面错误

如果进程需要数据，并且该数据存在于内存中，但同时分配给另一个进程，则称为**“次要页面错误”**。

在现代操作系统中，虚拟内存发挥着关键作用，允许应用程序使用比系统中实际可用内存更多的内存。这是通过使用分页实现的，其中内存被划分为固定大小的块，称为页面。当程序访问其地址空间中当前不在物理内存中的部分时，就会发生页面错误。高效地处理此事件对于保持系统性能和稳定性至关重要。

页面错误处理的工作原理

当发生页面错误时，处理器会引发异常并将控制权转移给操作系统的页面错误处理程序。操作系统首先识别导致错误的虚拟地址。然后，它检查该地址的页面表条目以确定错误的原因。如果访问无效——例如尝试从用户模式访问内核内存或取消引用空指针——操作系统通常会终止进程并可能生成核心转储以进行调试。

如果访问有效但页面只是不在物理内存中，操作系统必须将页面调入。这涉及在磁盘上（通常在交换空间或备份存储中）定位页面，并将其读入 RAM。为此，操作系统必须首先在内存中找到一个空闲帧。如果没有空闲帧，它将使用页面替换算法选择一个牺牲页面，如果该页面已被修改，则可能需要将其写回磁盘。

一旦帧可用，所需的页面将从磁盘读入此帧。然后更新页面表以反映新的映射，设置有效位，并重新启动导致错误的指令。从用户的角度来看，整个过程是不可见的，除了它引入的延迟，这在发生主要页面错误时可能很显著。

页面替换和性能

页面替换算法的选择对于最小化页面错误的数量至关重要。最近最少使用 (LRU)、先进先出 (FIFO) 和时钟等算法试图估计哪些页面在不久的将来最不可能被使用并替换它们。这些算法的有效性极大地影响了整体系统性能，尤其是在内存有限的系统中。

为了更智能地管理内存，操作系统通常使用工作集模型，该模型试图将最常访问的页面保存在内存中。如果一个进程开始以高速率生成页面错误，系统可能会暂时为其分配更多内存。相反，如果一个进程使用的内存较少，操作系统可能会回收其某些页面以提高系统效率。

操作系统中的页面错误处理过程

当程序访问其内存中当前未加载到物理 RAM 中的部分时，会发生页面错误。这不一定是错误，而是操作系统用于按需将数据加载到内存中的标准机制。页面错误处理的整个过程是硬件和操作系统内核之间协调的交互。

处理过程分步概述

页面错误处理过程从 CPU 检测到正在访问的虚拟地址当前未映射到物理帧的那一刻开始。内存管理单元 (MMU) 未能在页面表中找到有效转换，并立即触发页面错误异常。此异常会暂停程序的正常流程，并将控制权转移到操作系统的页面错误处理程序。

一旦进入错误处理程序，操作系统会检查导致错误的地址，并检查进程的页面表以确定访问失败的原因。如果访问无效——例如，进程试图读取空指针或访问受保护的内存——处理程序会将其识别为分段错误或访问冲突，并且通常会终止进程。

如果内存访问有效但页面只是不在内存中——也许它从未加载或被交换出去——操作系统会继续将缺失的页面调入 RAM。为此，它必须找到页面的数据，这些数据通常存储在磁盘上的交换文件或分页区域中。然后它会寻找一个空闲的物理帧来加载页面。

如果所有物理帧都被占用，操作系统会根据页面替换算法选择一个牺牲页面进行逐出。如果选定的页面自加载以来已被修改，则在替换之前必须将其写回磁盘。一旦帧可用，操作系统会将所需的页面从磁盘读入 RAM。

将页面加载到内存后，会更新页面表以反映虚拟地址和物理帧之间的新映射。设置相应的有效位以指示页面现在在内存中，并强制执行任何必要的访问权限（例如读写权限）。

最后，CPU 恢复执行被中断的指令，就像页面一直都在内存中一样。整个过程虽然在磁盘访问期间可能很慢，但通常通过缓存和快速 I/O 技术进行优化，以最小化性能影响。

页面错误与分段错误

虽然两者都涉及无效内存访问，但页面错误通常是可恢复的，因为它表明页面当前不在内存中但可以加载。然而，分段错误是由于非法内存访问（例如写入只读内存或访问超出进程分配范围的内存）导致的致命错误。分段错误通常会导致 offending 进程立即终止。

结论

页面错误处理是操作系统管理虚拟内存的基本组成部分。尽管该过程会引入延迟，但它允许更有效地利用物理内存，并支持在有限硬件上执行大型程序。通过了解页面错误是如何发生的以及操作系统如何响应它们，开发人员和系统管理员可以更好地诊断性能问题并优化应用程序行为。

整体式操作系统的特点

• 内核空间中的一块代码包含所有操作系统功能，包括内存管理、设备控制和文件处理。
• 哪个操作系统服务可以调用另一个服务没有限制，因为它们都直接连接。
• 性能通常更快，因为所有代码直接交互并在内核模式下运行。
• 操作系统在各个组件之间缺乏清晰的划分，这使得更新或隔离它们具有挑战性。
• 错误更难追查，一个组件的故障可能会导致整个系统崩溃。
• 紧密的相互依赖使得难以频繁升级单个功能，这样做通常需要修改整个内核。

整体式操作系统的优缺点

整体式操作系统有各种优点和缺点。其中一些如下

优点

1. 由于内存管理、文件管理、进程调度等都在同一地址空间中实现，因此整体式内核运行速度很快。
2. 其结构简单。内核包含处理所需的所有组件。
3. 所有组件都可以直接相互交互，也可以与内核交互。
4. 它更适合执行较小的任务，因为它可以处理有限的资源。

缺点

1. 整体式操作系统更容易产生错误和 bug。这是因为用户程序使用与内核相同的地址空间。
2. 用整体式操作系统编写的代码不容易移植。
3. 从整体式操作系统添加和删除功能非常困难。必须修改和重新编译所有代码才能添加或删除功能。

常见问题解答

1. 什么是页面错误？

当程序尝试访问其虚拟地址空间中当前未加载到物理内存 (RAM) 中的页面时，就会发生页面错误。然后操作系统必须介入处理这种情况，要么将页面加载到内存中，要么在访问无效时终止进程。

2. 页面错误是正常的还是表示错误？

页面错误是虚拟内存系统的正常且预期的一部分。它们允许操作系统仅在需要时将页面加载到 RAM 中，从而提高内存效率。但是，如果内存访问是针对非法或未分配的地址，则错误将成为分段错误，这是一个错误。

3. 页面错误发生时会发生什么？

当发生页面错误时，CPU 会暂停进程并触发异常。然后操作系统检查访问的有效性，在 RAM 中查找或分配一个空闲帧，将所需的页面从磁盘读入该帧，更新页面表，并恢复被中断的指令。

4. 次要页面错误和主要页面错误之间有什么区别？

次要页面错误发生在页面已在内存中（例如，与其他进程共享）但尚未映射到当前进程的页面表时。主要页面错误需要从磁盘获取页面，这会更慢且占用更多资源。

5. 什么原因导致页面错误？

• 页面错误可能由以下原因引起
• 访问当前未加载到内存中的页面（常见且预期）。
• 访问已交换到磁盘的内存。
• 由于编程错误（例如，空指针或缓冲区溢出）导致的无效内存访问。

6. 操作系统如何高效处理页面错误？

操作系统使用优化的数据结构，如页面表、磁盘 I/O 调度和缓存策略，以最小化处理错误所需的时间。它还可能使用预取和高效的页面替换算法（如 LRU 或时钟）来减少未来页面错误的数量。

7. 在页面错误期间，如果物理内存中没有空闲帧会发生什么？

如果没有可用的空闲帧，操作系统必须使用页面替换算法选择一个页面进行逐出。如果选择的页面已被修改（是“脏”的），它将被写回磁盘。然后，新页面将加载到现在空闲的帧中，并更新页面表。