从MySQL数据库的角度来看系统page fault（缺页异常）

1 什么是缺页异常

MySQL Innodb内存结构图（源自MySQL官网）

虚拟地址空间的定义-来自百度百科
虚拟地址空间是现代计算机系统中实现内存管理的核心机制，通过为每个进程分配独立的逻辑地址集合，解决物理内存直接寻址导致的安全隐患和资源冲突问题。该技术采用分段与分页机制实现地址转换，其中分页机制通过固定大小的页面划分和页表映射，既保障进程间的内存隔离，又支持物理内存与磁盘空间的动态分配。32位系统的虚拟地址空间上限为4GB（基于2^{32的寻址能力），64位系统理论寻址范围可达2}64字节，通过地址翻译单元（MMU）完成虚拟地址到物理地址的转换。
MySQL数据库 Innodb存储引擎的虚拟地址空间就是MySQL内存结构图中左边的In-Memory Structures部分，包括缓冲池、log buffer。
虚拟地址空间的映射
操作系统将虚拟地址空间内核空间和用户空间两部分，早期的计算机系统内存比较小，不可能给所有的虚拟内存分配实际的物理内存，所以操作系统只在实际使用的虚拟内存才分配物理内存，并且分配后的物理内存，是通过内存映射来管理的，内存映射保存的是虚拟地址空间的地址和物理内存的映射。
缺页异常（page fault）
缺页异常示意图（源自网络）

当进程访问它的虚拟地址空间中的page时，如果这个页不能获得有效的数据，就会发生缺页异常。

2 缺页异常的类型及其与数据库性能的关系

缺页异常的处理（源自网络）

2.1 major page fault

Major Page Fault 指的是当进程访问一个虚拟内存页面时，该页面不在物理内存中，必须从外部存储设备（如硬盘）加载的情况。因为涉及到磁盘 I/O 操作，Major Page Fault的代价非常高，常常会导致进程阻塞等待数据加载。
下面是一个缺页异常的例子

mysql> select SEQ,STATE,DURATION,BLOCK_OPS_IN,BLOCK_OPS_OUT,PAGE_FAULTS_MAJOR,PAGE_FAULTS_MINOR,SWAPS    from information_schema.profiling      where QUERY_ID=1 order by 1;
+-----+--------------------------------+----------+--------------+---------------+-------------------+-------------------+-------+
| SEQ | STATE                          | DURATION | BLOCK_OPS_IN | BLOCK_OPS_OUT | PAGE_FAULTS_MAJOR | PAGE_FAULTS_MINOR | SWAPS |
+-----+--------------------------------+----------+--------------+---------------+-------------------+-------------------+-------+
|   2 | starting                       | 0.005561 |          208 |             0 |                 1 |                 0 |     0 |
|   3 | Executing hook on transaction  | 0.000012 |            0 |             0 |                 0 |                 0 |     0 |
|   4 | starting                       | 0.000008 |            0 |             0 |                 0 |                 0 |     0 |
|   5 | checking permissions           | 0.000005 |            0 |             0 |                 0 |                 0 |     0 |
|   6 | Opening tables                 | 0.000032 |            0 |             0 |                 0 |                 1 |     0 |
|   7 | init                           | 0.000005 |            0 |             0 |                 0 |                 0 |     0 |
|   8 | System lock                    | 0.000008 |            0 |             0 |                 0 |                 0 |     0 |
|   9 | optimizing                     | 0.000005 |            0 |             0 |                 0 |                 0 |     0 |
|  10 | statistics                     | 0.000014 |            0 |             0 |                 0 |                 0 |     0 |
|  11 | preparing                      | 0.000012 |            0 |             0 |                 0 |                 0 |     0 |
|  12 | executing                      | 5.828843 |      1425248 |             0 |                42 |            125541 |     0 |
|  13 | end                            | 0.005782 |          504 |             0 |                 3 |                 2 |     0 |
|  14 | query end                      | 0.007523 |          632 |             0 |                 4 |                 1 |     0 |
|  15 | waiting for handler commit     | 0.007799 |          888 |             0 |                 4 |                 5 |     0 |
|  16 | closing tables                 | 0.007178 |          576 |             0 |                 3 |                 5 |     0 |
|  17 | freeing items                  | 0.005499 |          240 |             0 |                 3 |                 3 |     0 |
|  18 | cleaning up                    | 0.005113 |          712 |             0 |                 4 |                 2 |     0 |
+-----+--------------------------------+----------+--------------+---------------+-------------------+-------------------+-------+
17 rows in set, 1 warning (0.00 sec)

上面的profile是语句的第一次执行，需要将数据载入MySQL Innodb的缓冲池，语句的执行阶段BLOCK_OPS_IN数值很大，这个阶段也发生了major page fault和minor page fault，minor page fault后面再进行解释，这里看major page fault。
语句执行阶段发生的major page fault也可以从操作系统层面看到，使用pidstat命令可以可以监控进程的page fault指标

Linux 6.11.0-29-generic (myserver)      09/24/2025      _x86_64_        (4 CPU)

02:16:11 PM   UID       PID  minflt/s  majflt/s     VSZ     RSS   %MEM  Command
02:16:19 PM   110      1136      0.00      0.00 2407056  438236  47.81  mysqld
02:16:20 PM   110      1136     55.00     23.00 2472592  438492  47.84  mysqld
02:16:21 PM   110      1136      0.00      0.00 2472592  438492  47.84  mysqld
02:16:22 PM   110      1136      0.00      0.00 2472592  438492  47.84  mysqld
02:16:23 PM   110      1136      0.00      0.00 2472592  438492  47.84  mysqld
02:16:24 PM   110      1136    249.00      0.00 2472592  439388  47.94  mysqld
02:16:25 PM   110      1136      0.00      0.00 2472592  439388  47.94  mysqld

发生了major page fault是服务器物理内存不足的征兆，原来应该在内存中的数据被交换到了磁盘上，即操作系统的交换区内。也有可能是MySQL数据库内存参数配置的过大了，这些过大的内存配置参数包括Innodb缓冲池大小，读缓冲、排序缓冲、tmp_table_size等。
检查操作系统，通常会发现操作系统层面使用了换页空间

root@myserver:~# swapon
NAME      TYPE SIZE   USED PRIO
/swap.img file   4G 270.6M   -2

4G的交换区使用了270.6M。用free命令也可以查看

root@myserver:~# free -h
               total        used        free      shared  buff/cache   available
Mem:           895Mi       724Mi        90Mi        84Ki       209Mi       170Mi
Swap:          4.0Gi       270Mi       3.7Gi

2.2 Innodb缓冲池和major page fault的关系

InnoDB缓冲池是MySQL内部的内存区域，用于缓存数据和索引页。
操作系统的Major Page Fault是指当进程访问的虚拟内存页面不在物理内存中，需要从磁盘（交换区或文件）加载时发生。
当InnoDB缓冲池不足时，MySQL无法在缓冲池中找到所需的数据页，因此需要从磁盘上的表空间文件中读取数据页。这个磁盘读取操作是由MySQL发起的，并且是通过文件系统调用（如read）来完成的。
但是，这里需要区分两种情况：
a) MySQL从磁盘读取数据到缓冲池：这个过程是MySQL主动发起的I/O操作，并不直接等同于操作系统的Major Page Fault。
b) 操作系统的Major Page Fault是发生在虚拟内存管理层面的，当进程（这里是MySQL）访问的内存地址所对应的物理页面不在内存中时，由操作系统触发。
那么，InnoDB缓冲池不足会导致Major Page Fault吗？可能间接导致，但不是直接原因。
数据库缓冲池不足是缓冲池设置过小，本来应该再内存中的数据被刷到了磁盘上，在访问时需要再次读入到数据库缓冲区。Major Page Fault是物理内存不足，导致原来在物理内存中内存页被换出到操作系统的换页空间上，如果是数据库缓冲区的数据被换到了磁盘上，这时数据库缓冲区的内存区域包含了物理内存和换页空间，数据仍然是在数据库缓冲区内。
这时，查看SQL的profile，不会看到BLOCK_OPS_IN操作。反之，如果是数据库缓冲区不足，看到的是BLOCK_OPS_IN操作，不会是major page fault。

2.3 minor page fault

也称为 soft page fault，指需要访问的内存不在虚拟地址空间，但是在物理内存中，需要MMU建立物理内存和虚拟地址空间的映射关系即可。有两种情况下会发生minor page fault，一是要访问的数据不再物理内存中，需要读入缓冲区，另外一种情况是访问的数据已经再缓冲区内，但没和现在的进程或者线程使用的虚拟空间进行连接。先验证一下后面这种情况，另开一个会话，运行同样的SQL语句，看一下语句的profile

mysql> show profile PAGE FAULTS for query 1;
+--------------------------------+----------+-------------------+-------------------+
| Status                         | Duration | Page_faults_major | Page_faults_minor |
+--------------------------------+----------+-------------------+-------------------+
| starting                       | 0.000090 |                 0 |                 0 |
| Executing hook on transaction  | 0.000007 |                 0 |                 0 |
| starting                       | 0.000012 |                 0 |                 0 |
| checking permissions           | 0.000008 |                 0 |                 0 |
| Opening tables                 | 0.000043 |                 0 |                 0 |
| init                           | 0.000009 |                 0 |                 0 |
| System lock                    | 0.000012 |                 0 |                 0 |
| optimizing                     | 0.000008 |                 0 |                 0 |
| statistics                     | 0.000023 |                 0 |                 0 |
| preparing                      | 0.000020 |                 0 |                 0 |
| executing                      | 0.151010 |                 0 |               251 |
| end                            | 0.000014 |                 0 |                 0 |
| query end                      | 0.000005 |                 0 |                 0 |
| waiting for handler commit     | 0.000008 |                 0 |                 0 |
| closing tables                 | 0.000008 |                 0 |                 0 |
| freeing items                  | 0.000040 |                 0 |                 0 |
| cleaning up                    | 0.000005 |                 0 |                 0 |
+--------------------------------+----------+-------------------+-------------------+
17 rows in set, 1 warning (0.00 sec)

再次运行语句，再看profile，就没有换页失效的情况了

mysql> show profile  page faults for query 2;
+--------------------------------+----------+-------------------+-------------------+
| Status                         | Duration | Page_faults_major | Page_faults_minor |
+--------------------------------+----------+-------------------+-------------------+
| starting                       | 0.000068 |                 0 |                 0 |
| Executing hook on transaction  | 0.000004 |                 0 |                 0 |
| starting                       | 0.000007 |                 0 |                 0 |
| checking permissions           | 0.000005 |                 0 |                 0 |
| Opening tables                 | 0.000026 |                 0 |                 0 |
| init                           | 0.000005 |                 0 |                 0 |
| System lock                    | 0.000007 |                 0 |                 0 |
| optimizing                     | 0.000004 |                 0 |                 0 |
| statistics                     | 0.000013 |                 0 |                 0 |
| preparing                      | 0.000011 |                 0 |                 0 |
| executing                      | 0.171669 |                 0 |                 0 |
| end                            | 0.000014 |                 0 |                 0 |
| query end                      | 0.000005 |                 0 |                 0 |
| waiting for handler commit     | 0.000008 |                 0 |                 0 |
| closing tables                 | 0.000008 |                 0 |                 0 |
| freeing items                  | 0.000040 |                 0 |                 0 |
| cleaning up                    | 0.000009 |                 0 |                 0 |
+--------------------------------+----------+-------------------+-------------------+
17 rows in set, 1 warning (0.00 sec)

minor page fault是内存连接操作，速度很快，通常不会影响数据库的性能。

2.4 Invalid Page Fault

Invalid Page Fault 翻译为无效缺页错误，比如进程访问的内存地址越界访问，又比如对空指针解引用内核就会报segment fault错误中断进程直接挂掉。
发生了这这种无效页的错误通常是程序的bug或者是数据的错误。

3 结论

如果语句的执行过程中发生了major page fault，则要考虑到是物理内存不足的原因。当然，也有可能是数据库的内存设置过大，导致不必要的换页。
如果发生的是BLOCK_OPS_IN，则是数据库缓冲池过小，需要扩大数据库缓冲池大小。