# 8.3 Zero Fill On Demand 接下来我将讨论基于page fault和page table可以做的一些其他酷的事情。另一个简单但是使用的非常频繁的功能是zero-fill-on-demand。 当你查看一个用户程序的地址空间时，存在text区域，data区域，同时还有一个BSS区域（注，BSS区域包含了未被初始化或者初始化为0的全局或者静态变量）。当编译器在生成二进制文件时，编译器会填入这三个区域。text区域是程序的指令，data区域存放的是初始化了的全局变量，BSS包含了未被初始化或者初始化为0的全局变量。 之所以这些变量要单独列出来，是因为例如你在C语言中定义了一个大的矩阵作为全局变量，它的元素初始值都是0，为什么要为这个矩阵分配内存呢？其实只需要记住这个矩阵的内容是0就行。 ![](/files/-MMjMqer7xmB42tDWRuE) 在一个正常的操作系统中，如果执行exec，exec会申请地址空间，里面会存放text和data。因为BSS里面保存了未被初始化的全局变量，这里或许有许多许多个page，但是所有的page内容都为0。 通常可以调优的地方是，我有如此多的内容全是0的page，在物理内存中，我只需要分配一个page，这个page的内容全是0。然后将所有虚拟地址空间的全0的page都map到这一个物理page上。这样至少在程序启动的时候能节省大量的物理内存分配。 ![](/files/-MMjOUZgcx_hv79eQ_1r) 当然这里的mapping需要非常的小心，我们不能允许对于这个page执行写操作，因为所有的虚拟地址空间page都期望page的内容是全0，所以这里的PTE都是只读的。之后在某个时间点，应用程序尝试写BSS中的一个page时，比如说需要更改一两个变量的值，我们会得到page fault。那么，对于这个特定场景中的page fault我们该做什么呢？ > 学生回答：我认为我们应该创建一个新的page，将其内容设置为0，并重新执行指令。 是的，完全正确。假设store指令发生在BSS最顶端的page中。我们想要做的是，在物理内存中申请一个新的内存page，将其内容设置为0，因为我们预期这个内存的内容为0。之后我们需要更新这个page的mapping关系，首先PTE要设置成可读可写，然后将其指向新的物理page。这里相当于更新了PTE，之后我们可以重新执行指令。 ![](/files/-MMjR5Fl20ATXIG70FFk) 为什么这是一个好的优化？或者说为什么操作系统要这么做？ > 学生回答：这样节省一部分内存。你可以在需要的时候才申请内存。 是的，这里类似于lazy allocation。假设程序申请了一个大的数组，来保存可能的最大的输入，并且这个数组是全局变量且初始为0。但是最后或许只有一小部分内容会被使用。 第二个好处是在exec中需要做的工作变少了。程序可以启动的更快，这样你可以获得更好的交互体验，因为你只需要分配一个内容全是0的物理page。所有的虚拟page都可以映射到这一个物理page上。 > 学生提问：但是因为每次都会触发一个page fault，update和write会变得更慢吧？ > > Frans教授：是的，这是个很好的观点，所以这里是实际上我们将一些操作推迟到了page fault再去执行。并且我们期望并不是所有的page都被使用了。如果一个page是4096字节，我们只需要对每4096个字节消耗一次page fault即可。但是这里是个好的观点，我们的确增加了一些由page fault带来的代价。 page fault的代价是多少呢？我们该如何看待它？这是一个与store指令相当的代价，还是说代价要高的多？ > 学生回答：代价要高的多。store指令可能需要消耗一些时间来访问RAM，但是page fault需要走到内核。 是的，在lec06中你们已经看到了，仅仅是在trap处理代码中，就有至少有100个store指令用来存储当前的寄存器。除此之外，还有从用户空间转到内核空间的额外开销。所以，page fault并不是没有代价的，之前问的那个问题是一个非常好的问题。 --- # Agent Instructions: Querying This Documentation If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question. Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter: ``` GET https://mit-public-courses-cn-translatio.gitbook.io/mit6-s081/lec08-page-faults-frans/8.3-zero-fill-on-demand.md?ask= ``` The question should be specific, self-contained, and written in natural language. The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation. Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.