6.1810 2024 第7讲：页错误

虚拟内存的妙用

虚拟内存不仅仅是为了隔离，它提供的“间接层”为内核实现各种酷炫功能提供了机会。本讲的核心思想是：在发生页错误 (Page Fault) 时动态地修改页表。

• 页错误是一种陷阱（trap），类似于系统调用。当一个进程试图访问一个无效的或权限不足的内存地址时，CPU会暂停该进程，并将控制权交给内核。
• xv6的默认行为是直接panic，但我们可以做得更好：内核可以修复页表中的问题（例如，分配一个物理页），然后让进程从出错的指令处重新开始执行。

利用这个机制，我们可以实现：

• 更好的性能/效率:
  • 写时复制 (Copy-on-Write) Fork: fork() 时，父子进程可以共享所有物理页面，并将它们标记为只读。当任何一方尝试写入时，会触发页错误，此时内核才真正复制该页面。
  • 按需零填充页: 当应用需要一个全零页面时，内核可以映射到一个全局的、只读的全零物理页。当应用写入时，再为其分配一个新的、可写的零页。
• 为程序员提供便利:
  • 惰性分配 (Lazy Allocation): sbrk() 系统调用可以只增加进程的虚拟内存大小，而不实际分配物理内存。直到应用第一次访问该地址范围时，通过页错误来按需分配物理页。
  • 内存映射文件 (Memory-Mapped Files): 允许应用将文件的一部分直接映射到其地址空间，像访问内存一样读写文件。内核会在访问时按需从磁盘加载页面。

RISC-V 中的页错误

• 当页错误发生时，CPU会将一些关键信息存入 s 系列寄存器，以便内核处理：
  1. stval: 导致错误的虚拟地址。
  2. scause: 错误的类型（是读取、写入还是执行指令导致的错误）。
  3. sepc: 发生错误时，用户程序的程序计数器（PC）。

虚拟内存的演进

虚拟内存技术仍在不断发展，以应对新的硬件和安全挑战：

• KPTI (Kernel Page-Table Isolation): 为应对 Meltdown 攻击，现代操作系统将内核页表与用户页表完全分开，xv6也采用了类似的设计。
• 多级页表: 为了支持更大的地址空间（例如57位），页表的层级也在增加。
• 大页面 (Huge Pages): 支持2MB或1GB的大页面，可以减少TLB的压力，提高性能。

总结

分页和页表提供了一个强大的间接层，是现代操作系统实现内存管理、性能优化和安全隔离的核心机制。在接下来的实验中，你将亲手实现写时复制等功能，深入理解其工作原理。