Video Lecture 8 Page Fault

关键词：copy-on-write fork, zero fill-on-deman

2.2 Zero-fill-on-demand

2.3 Copy-on-write-fork

2.4 Demand Paging

思考问题

1 Linux系统如何处理Page fault？ FreeRTOS如何处理Page Fault？

MIT 6.S081 Lecture 8 – Page Fault 课堂笔记

课程主页：
https://pdos.csail.mit.edu/6.828/2021/schedule.html
对应视频：2020/2021 版 Lecture 7（Frans）或 Lecture 8（2021 版为 Q&A），下文统一按「Lecture 8」整理。
建议阅读：xv6 book §4.6「Page-fault exceptions」

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1. 页故障（Page Fault）基础

• 触发条件
  在XV6系统中，Page Fault只会发生在用户空间。
  CPU 访问某虚拟地址时发现 PTE 无效或权限不符 → 抛出 page-fault exception。

• 硬件为 OS 提供的三要素[⁶]

  1. STVAL：触发故障的虚拟地址。
  2. SCAUSE：故障类型（13=读缺页，15=写缺页，12=指令缺页）。
  3. SEPC：触发指令的 PC，用于返回后重试。

• 处理入口
  usertrap() → r_scause() 判断为 page fault → 交给相应处理例程。
  

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2. Lazy Allocation（按需分配）

Eager Allocation	Lazy Allocation
sbrk() 立即分配物理页	仅增加 p->sz，不分配物理页
进程实际未用也占内存	真正访问时才 page-fault，再分配
易导致物理内存耗尽	显著节省内存，提高 fork+exec 效率

• 实现要点[¹]

  1. sbrk 只修改 p->sz。
  2. 首次访问新 heap 区域 → page fault → 检查 va 位于 [old_sz, new_sz) 之间。
  3. kalloc 一页 → 清零 → mappages 建立映射 → 返回用户空间重新执行指令。
  4. 若已无物理页可分配 → 直接杀死进程（lazy lab 简化处理）。

• 如何区分「合法未分配」与「非法地址」
  低于当前 p->sz 且高于 stack 视为合法 heap；否则视为段错误，杀死进程[¹]。

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3. Copy-on-Write Fork

• 动机
  传统 fork 立即复制父进程全部页 → 耗时且浪费内存。
  COW 让父子进程共享所有物理页，但把对应 PTE 设为 只读。

• 工作流程[¹]

  1. fork 复制页表，但所有 PTE 清除 PTE_W、置 COW 标志（利用 PTE 的 RSW 位）。
  2. 任一进程对共享页执行写操作 → 触发 page fault（写保护异常）。
  3. 内核识别 COW 位 → kalloc 新页 → 拷贝旧页内容 → 更新子（或父）页表，使其 可写且私有 → 重新执行指令。
  4. 未修改页继续共享，显著减少内存占用。

• PTE 标志位约定
  RISC-V PTE 低 8 bit 外还有两位 RSW（supervisor usable）。
  实验中用 RSW 第 8 位表示 “这是 COW 页”，区分普通只读页[¹]。

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4. Zero-fill-on-demand

对于分配未初始化变量的BSS段，由于它们的值都为0，因此它们的VA可以指向同一个数据都为0的PA（该PA设置为只读）。当有写操作写到该VA时，会触发Page fault，进而进行进一步处理。

5. 与后续实验/主题的衔接

Lab/主题	与 Page Fault 的关联
Lab: traps (lazy allocation)	实现上述 lazy allocation 机制。
Lab: cow (copy-on-write fork)	实现 COW 的完整 fork 优化。
Lab: mmap	用 page fault 惰性填充文件映射页，支持按需读/写文件页[3]。
后续 Lecture	Demand paging、Memory-mapped files、Page replacement 等进一步利用 page fault。

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6. Memory-mapped files

Memory-mapped files（内存映射文件）是一种将文件内容直接映射到进程虚拟地址空间的技术，使应用程序可以像访问内存一样读写文件数据，无需传统read/write系统调用。
文件内容被映射到进程虚拟地址空间，程序通过指针直接读写文件数据，消除用户态与内核态的数据复制开销

6. 课堂 Q&A 精选

• Q：如果物理内存耗尽怎么办？
  A：简化版直接 kill 进程；真实 OS 可能 swap 或内存压缩。

• Q：如何知道是 COW 还是普通写保护？
  A：利用 PTE 的保留位做标记，page fault 时检查。

• Q：父进程写共享页也会被 COW 吗？
  A：是的，与进程身份无关，只要 PTE 为只读+COW 位。

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6. 小结

1. Page fault 是把「缺页或权限异常」转化为「内核机会」的核心机制。
2. 通过 lazy allocation 与 copy-on-write，xv6 显著降低了内存占用与 fork 成本。
3. 两个实验（lazy、cow）将课堂概念落地，并为后续 mmap、demand paging 奠定基础。