零初始化内存访问为何产生双倍数量的页错误？

测试代码 #

use std::time::Instant;

fn main() {
    let mut array = vec![0i32; 64 * 1024 * 1024];

    let start = Instant::now();
    workload(&mut array);
    let dur = start.elapsed().as_millis();

    println!("duration: {}ms", dur);
}

fn workload(arr: &mut [i32]) {
    for i in 0..arr.len() {
        arr[i] *= 3;
    }
}

测试现象 #

使用--release模式运行时，零初始化数组的耗时为278ms；若将数组初始化值改为1，耗时骤降至17ms。

Perf分析结果 #

通过perf工具统计到：

• 零初始化场景：131K次minor page faults
• 1初始化场景：65K次minor page faults

注：在4KiB页大小的机器上，256MB（6410241024个i32元素）的数组共需65536个物理页。

1. 零初始化场景为何会产生双倍数量的页错误？ #

这是内核零页优化与**写时复制（COW）**机制共同作用的结果：

• 当使用vec![0; N]创建数组时，Rust会调用alloc_zeroed分配内存，内核会将虚拟地址空间映射到只读共享零页，此时并未实际分配私有物理页，也不会触发页错误。
• 进入workload执行写操作时，每个物理页会触发两次minor page fault：
  1. 第一次访问页内元素时，读操作会触发minor fault，将虚拟页正式映射到共享零页；
  2. 执行arr[i] *=3的写操作时，由于共享零页是只读的，内核会触发第二次minor fault，为该页分配私有物理页、复制零页内容并标记为可写（COW机制）。
• 而非零初始化的vec![1; N]会在数组创建阶段，通过memset直接向每个物理页写入初始值1，此时每个页仅触发一次minor fault（分配并初始化物理页），后续workload的写操作无需再触发页错误。

2. 页错误差异是速度大幅提升的核心原因吗？ #

是的，页错误处理是典型的内核态耗时操作：每次页错误需要陷入内核，执行页表修改、物理页分配/复制等逻辑，单次处理耗时可达微秒级。

• 零初始化场景中，131K次页错误的处理时间占据了278ms耗时的绝大部分；
• 非零初始化场景中，workload仅需执行纯用户态的内存写操作，256MB内存的连续写入耗时仅需十数毫秒，与测试结果一致。

3. 如何测量页错误处理消耗的时间？ #

可以通过以下工具和方法：

• time命令：使用/usr/bin/time -v ./your_program，输出中的System time字段对应内核态执行时间，其中大部分为页错误处理耗时；同时可直接查看Minor (reclaiming a frame) page faults的次数。
• perf工具：
  • 统计页错误次数及耗时占比：perf stat -e minor-faults,page-faults,cpu-clock ./your_program，可直观看到页错误次数与总耗时的关联；
  • 分析内核态调用：通过perf record ./your_program捕获采样数据，再用perf report查看内核函数的耗时占比，其中与页错误相关的内核函数（如handle_mm_fault）的耗时即为页错误处理时间。
• 内核跟踪工具：若需更精确的单次页错误耗时，可使用ftrace跟踪内核的page_fault事件，结合时间戳计算单次处理的耗时（该方法需内核支持，操作复杂度较高）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者tverghis