Lab2 内存管理(实现细节)

lab2 中的变动

bootloader 的入口发生了改变
bootloader不像lab1那样，直接调用kern_init函数，而是先调用位于lab2/kern/init/entry.S中的kern_entry函数。kern_entry函数的主要任务是为执行kern_init建立一个良好的C语言运行环境（设置堆栈），而且临时建立了一个段映射关系，为之后建立分页机制的过程做一个准备（细节在3.5小节有进一步阐述）。完成这些工作后，才调用kern_init函数。

通过 BIOS 中断获取内存布局有三种方式，都是基于INT 15h中断，分别为88h e801h e820h。但是并非在所有情况下这三种方式都能工作。在 Linux kernel 里，采用的方法是依次尝试这三种方法。而在本实验中，我们通过e820h中断获取内存信息。因为e820h中断必须在实模式下使用，所以我们在 bootloader 进入保护模式之前调用这个 BIOS 中断，并且把 e820 映射结构保存在物理地址0x8000处。

以页为单位管理物理内存

Page的定义在kern/mm/memlayout.h中。以页为单位的物理内存分配管理的实现在kern/default_pmm.[ch]。

首先就是 Page 结构用来描述物理页

+ref 被引用的次数
+flags 状态
+property 算法使用的状态
+page-link 连接其他的自由变量

接下来需要解决两个问题：

管理页级物理内存空间所需的Page结构的内存空间从哪里开始占多大空间？
空闲内存空间的起始地址在哪里？

首先根据bootloader 给出的内存布局信息找出最大的物理内存地址 maxpa(定义在page_init 中的局部变量), 由于x86 的起始物理内存地址为0，所以可以得到需要管理的物理页个数为： npage=maxpa / PGSIZE

这样可以估算出管理页级物理内存空间所需的 Page 结构的空间大小为
sizeof(struct Page) *npage

由于bootloader 加载ucore的结束地址用全局变量指针end 记录

以上的空间没有被使用，所以我们可以把end按页大小为边界取整后，作为管理页级物理内存空间所需的Page结构的内存空间，记为
pages = (struct Page )ROUNDUP((void )end, PGSIZE);

为了简化起见，从地址0到地址pages+ sizeof(struct Page) * npage)结束的物理内存空间设定为已占用物理内存空间（起始0~640KB的空间是空闲的），地址pages+ sizeof(struct Page) * npage)以上的空间为空闲物理内存空间，这时的空闲空间起始地址为

uintptr_t freemem = PADDR((uintptr_t)pages + sizeof(struct Page) * npage);

for (i = 0; i < npage; i ++) {
SetPageReserved(pages + i);
}

init_memmap(pa2page(begin), (end - begin) / PGSIZE);

其实SetPageReserved只需把物理地址对应的Page结构中的flags标志设置为PG_reserved ，表示这些页已经被使用了，将来不能被用于分配。而init_memmap函数则是把空闲物理页对应的Page结构中的flags和引用计数ref清零，并加到free_area.free_list指向的双向列表中，为将来的空闲页管理做好初始化准备工作。

只实现最简单的内存页分配算法。
下面是内存分配器结构的结论批
struct pmm_manager {
const char name; //物理内存页管理器的名字
void (init)(void); //初始化内存管理器
void (init_memmap)(struct Page base, size_t n); //初始化管理空闲内存页的数据结构
struct Page (alloc_pages)(size_t n); //分配n个物理内存页
void (free_pages)(struct Page base, size_t n); //释放n个物理内存页
size_t (nr_free_pages)(void); //返回当前剩余的空闲页数
void (check)(void); //用于检测分配/释放实现是否正确的辅助函数
};

kern/mm/pmm.h 中定义了一个通用的分配算法的函数列表，用pmm_mamager 表示。 init 函数是用来初始话 free_area 变量的

first_fit 可以重用default_init 函数的实现。
init_memmao 函数需要根据现有的内存情况构建空闲块列表的初始状态

pmm.c 模块

get_pte 获取一个线性地址对应的页表项地址

页表项除去状态位然后剩下物理地址根据这个物理地址取出 PPN 在pages 结构中找到对应的页项或者说 pte2page

get_page 获取一个物理地址对应的页项会存储这个页表项到第三个参数

page_remove_pte 接受一个页表项删除如果对应的页没有引用了就free 那个一个页还要将tlb无效化

page_insert 使一个线性地址被映射到一个页中，那个线性地址原先如果已经有映射了那就取消这个映射

那么还需要最后一个封装
使用 alloc_page 申请得到一个新的页面
使用 page_insert 将这个线性地址插入到对应的pte中去
就是 pgdir_alloc_page

get_pte 的一些细节

输入 pde_t * pgdir uintptr_t la, bool create

取得页目录项地址 pde_t * pde = &pgdir[PDX(la)]

取得页表物理地址 PDE_ADDR(*pde)

取得页表的内核虚拟地址 KADDR(PDE_ADDR(*pde))

取得页表项的虚拟地址 &((pte_t )KADDR(PDE_ADDR(pde)))[PTX(la )]