你是否遇到過這樣的情況：你的服務(wù)出現(xiàn)很高的CPU內(nèi)核態(tài)使用率、磁盤IO等待時間持續(xù)偏高、可用內(nèi)存持續(xù)低于工作集（Working Set）大小，線上服務(wù)開始頻繁報警。。。

這時你就要警惕一種叫做缺頁中斷的東西。

那么，缺頁中斷到底是什么？

什么是缺頁中斷？

缺頁中斷是CPU訪問無效內(nèi)存頁時觸發(fā)的硬件異常。

當(dāng)程序訪問一個尚未映射到物理內(nèi)存的虛擬地址時，CPU的內(nèi)存管理單元（MMU）會檢測到頁表項無效（PTE invalid），隨即觸發(fā)缺頁中斷。

圖片

操作系統(tǒng)內(nèi)核接管中斷后，首先通過虛擬地址查找對應(yīng)的VMA（Virtual Memory Area）區(qū)域，確認(rèn)訪問是否合法。若訪問合法，內(nèi)核會分配物理頁框（pageframe），從磁盤（Swap或文件）加載所需數(shù)據(jù)，更新頁表項，最后恢復(fù)程序執(zhí)行。

整個過程涉及CPU、MMU和操作系統(tǒng)的緊密協(xié)作，是虛擬內(nèi)存管理的核心機制。

那么我們該怎么對缺頁中斷的次數(shù)進行量化呢？

如何量化缺頁中斷的影響？

在Linux系統(tǒng)下，我們可以使用多種工具來量化分析缺頁中斷問題。

首先，perf stat -e page-faults工具可以幫助我們統(tǒng)計特定進程的缺頁次數(shù)，適用于分析單個進程的內(nèi)存訪問模式：

Performance counter stats for process id '6770':
            44,331      page-faults                                                 
      13.266654983 seconds time elapsed

這是一個示例，表示13s內(nèi)，6770這個進程出現(xiàn)了44331次缺頁中斷。

再就是vmstat這個工具能夠監(jiān)控系統(tǒng)級的缺頁速率（pgfault/s），可以用來評估系統(tǒng)整體性能。

如果你覺得前兩個工具不夠高端大氣上檔次，你還可以選擇ftrace ，這是 Linux 內(nèi)核的一個跟蹤工具，主要用于性能分析和調(diào)試，它是內(nèi)核自帶的功能，提供對內(nèi)核函數(shù)調(diào)用、系統(tǒng)事件以及堆棧跟蹤的深入分析，常用于診斷性能瓶頸、追蹤函數(shù)調(diào)用、分析內(nèi)核行為等。

通過結(jié)合使用這些工具，我們可以全面了解缺頁中斷的發(fā)生頻率、分布特征和影響因素，從而制定針對性的優(yōu)化策略。

為什么高頻觸發(fā)缺頁中斷會成為性能殺手

高頻缺頁中斷對系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在這樣幾個方面。

首先，CPU占用率會顯著上升，因為每次缺頁中斷都會觸發(fā)上下文切換和中斷處理，這些操作是需要消耗CPU資源的；

然后是內(nèi)存訪問延遲增加，特別是在涉及Swap操作時，由于需要從磁盤讀取數(shù)據(jù)，以機械磁盤的性能來說訪問延遲可能增加數(shù)百倍；

圖片

最后，TLB緩存失效會引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致后續(xù)的內(nèi)存訪問都需要重新查詢頁表，進一步加劇性能下降。這種惡性循環(huán)會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的整體性能，特別是在內(nèi)存密集型應(yīng)用中表現(xiàn)得尤為明顯。

缺頁中斷的原因與解決方案

關(guān)于缺頁中斷的一個思維誤區(qū)是認(rèn)為缺頁中斷的唯一原因是物理內(nèi)存不足。

實際上，即使有足夠的內(nèi)存，如果程序的內(nèi)存訪問模式不友好，比如隨機訪問大范圍的內(nèi)存，導(dǎo)致TLB未命中和緩存失效，也可能引發(fā)頻繁的缺頁中斷。例如，遍歷鏈表結(jié)構(gòu)可能比數(shù)組更容易導(dǎo)致缺頁，因為鏈表節(jié)點在內(nèi)存中分散，可能分布在不同的頁面上。

內(nèi)存不足確實是導(dǎo)致缺頁中斷的常見原因之一，但并非唯一原因。

缺頁中斷的觸發(fā)與內(nèi)存總量、內(nèi)存訪問模式和操作系統(tǒng)行為三者密切相關(guān)。

內(nèi)存不足時的缺頁中斷

這個場景的典型表現(xiàn)就是物理內(nèi)存不足以容納程序的“工作集”（頻繁訪問的內(nèi)存頁），導(dǎo)致操作系統(tǒng)頻繁將內(nèi)存頁換出到磁盤（Swap），引發(fā)主缺頁（Major Page Fault）。

解決方案也很簡單粗暴直接有效，那就是擴物理內(nèi)存。

再有點進取心的方案就是優(yōu)化程序內(nèi)存占用，使用更合理的數(shù)據(jù)解決、減少內(nèi)存泄漏、避免冗余數(shù)據(jù)等等。

內(nèi)存足夠時的缺頁中斷

這個場景的典型表現(xiàn)就是物理內(nèi)存充足，但因內(nèi)存訪問模式差或頁表/TLB效率低，仍頻繁觸發(fā)次缺頁（Minor Page Fault）（如訪問未映射的頁）或TLB未命中。

其根本原因就在于可能程序會隨機訪問大范圍內(nèi)存（如哈希表、指針跳轉(zhuǎn)），導(dǎo)致跨頁訪問頻繁。

又或者是未利用大頁（Huge Pages），導(dǎo)致頁表項爆炸，TLB無法高效緩存。

再一點就是多線程競爭訪問不同內(nèi)存區(qū)域，引發(fā)緩存行失效（Cache Line Bouncing）。

知道原因就能對癥下藥。

解決方案無外乎編寫對程序局部性友好的程序、使用大頁（Huge Pages）減少頁表層級，提升TLB命中率等。

系統(tǒng)級行為導(dǎo)致的缺頁

這個場景的典型表現(xiàn)就是即使內(nèi)存充足，操作系統(tǒng)可能因策略（如Swappiness）主動將空閑頁換出，后續(xù)訪問時需換入。

針對系統(tǒng)級行為導(dǎo)致的缺頁中斷，我們可以采取這樣幾個優(yōu)化措施：

1. 調(diào)整Swappiness參數(shù)：Swappiness參數(shù)控制內(nèi)核將內(nèi)存頁換出到Swap的傾向。通過降低該值（例如設(shè)為10），可以減少不必要的內(nèi)存換出操作。
2. 內(nèi)存鎖定（mlock）：通過mlock()系統(tǒng)調(diào)用鎖定關(guān)鍵進程的內(nèi)存頁，防止其被換出。該技術(shù)適用于實時性要求高的應(yīng)用場景，但會降低系統(tǒng)內(nèi)存管理的靈活性。
3. 一把梭，禁用Swap：在物理內(nèi)存絕對充足的情況下，可通過swapoff -a命令完全禁用Swap分區(qū)。該方案能夠徹底避免因Swap操作導(dǎo)致的缺頁中斷，但會完全依賴物理內(nèi)存，在內(nèi)存不足時可能導(dǎo)致OOM（Out of Memory）kill。