缺页异常需要什么

当发生缺页异常时，内核需要以下信息才能响应这个异常：

• 出错的虚拟地址（引发缺页异常的源）
  当一个用户程序触发了缺页异常，会切换到内核空间，将出错的地址放到STVAL寄存器中，这是第一个信息
• 出错的原因
  因为对于不同场景的缺页异常有不同的响应。例如由于load指令触发的缺页、由于store指令触发的缺页、由于jump指令触发的缺页等等。不同的原因都会有一个代码表示，这个代码就会作为第二个信息，存储在SCAUSE寄存器中。
• 触发缺页时的程序计数器值
  其表明了缺页这一事件在用户空间发生的位置，因为在操作系统处理完缺页后，CPU需要重新执行发生缺页的那一条指令，也就是PC必须回到原先的那一个值继续往后执行。这个地址作为第三个信息存放在SEPC寄存器中

copy-on-write(COW) fork

Xv6对异常的响应较为简单：若用户空间中某个进程发生了异常，则内核直接终止该进程。若内核空间发生了异常，则the kernel panics。

而实际的操作系统则会利用页缺失异常完成许多功能。例如许多内核会用页缺失来完成copy-on-write(COW) fork。
fork使得子进程共享父进程的内容，即先调用uvmcopy来为子进程分配物理内存，然后将父进程的内容拷贝进去。
由此可见比这种方法更简单的一种方式是，让子进程和父进程直接共享同一片物理内存，就省去了分配新的内存再拷贝内容的麻烦。但是这种方法有种缺点，就是子进程和父进程同时写共享的堆栈的话，会导致彼此干扰。

Copy-on-write fork就可以保证父子共享同一片物理内存而不出现上述干扰。
主要思想是，一开始让父子只读地共享所有物理内存。只有当发生写操作时（即执行到存储指令时）才会复制地址空间，且复制的只是写操作所在的那一页。这时子进程和父进程分别独立拥有这一页的地址空间，且是读写权限。

Page fault在这个过程中的作用就是当发生写操作时，CPU会发起一个页缺失异常（页就是要写的地址所在的那一页），然后内核才会复制这一页的读写版本给父子进程。

一些比较有意思的问题

1. 对于一些没有父进程的进程，比如系统启动的第一个进程，它会把自己的PTE设置成只读的吗，还是先设置成可读写的，然后在fork的时候再修改为只读的？
   这取决于开发者。操作系统的开发者可以自己选择实现方式。当然最简单的方式就是将PTE设置成只读的，当你要写这些page时，会得到一个page fault，然后再按照上面的流程处理
2. 当发生page fault时，我们其实是在向一个只读的地址执行写操作。内核如何能够分辨现在是一个copy-on-write fork的场景，而不是应用程序在向一个正常的只读地址写数据？
   内核有能够识别copy-on-write场景的机制。几乎所有的页表页表硬件都支持了这一点。内核可以通过页表项的某一个标识位来分辨当前是否是一个copy-on-write，或者内核也可以通过维护一些进程信息来实现copy-on-write的标识。具体实现是非常自由的。
   关于页表项中的标识位，如下图，在MIT的Xv6实验中，学生可以使用RSW在PTE中设置一个copy-on-write标识位