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MIT-6.828 Lab 2: Memory Management实验报告

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概述

本文主要介绍lab2，讲的是操作系统内存管理，从内容上分为三部分：

1. 第一部分讲的是物理内存管理，要进行内存管理首先需要知道哪些物理内存是空闲的，哪些是被使用的。还需要实现一些函数对这些物理内存进行管理。
2. 第二部分讲的是虚拟内存。一个虚拟地址如何被映射到物理地址，将实现一些函数来操作页目录和页表从而达到映射的目的。
3. 第三部分讲的是内核的地址空间。将结合第一部分和第二部分的成果，来对内核地址空间进行映射。

Part 1: Physical Page Management

通过lab1可以总结出如下的物理内存分布图：

大致上可以分为三部分：

1. 0x00000~0xA0000：这部分叫做basemem，是可用的。
2. 接着是0xA0000~0x100000：这部分叫做IO Hole，不可用。

3. 再接着就是0x100000以上的部分：这部分叫做extmem，可用。
   kern/pmap.c中的i386_detect_memory()统计有多少可用的物理内存，将总共的可用物理内存页数保存到全局变量npages中，basemem部分可用的物理内存页数保存到npages_basemem中。

   Exercise 1：

   需要我们写一个物理内存页的allocator。要求实现kern/pmap.c文件中的boot_alloc()，mem_init()，page_init()，page_alloc()，page_free()。check_page_free_list()和check_page_alloc()中会有一些测试用例，如果没有通过两个函数则说明代码有问题，一种类型TDD的开发流程。
   从lab1知道，进入内核后首先调用的是i386_init()，该函数会调用mem_init()。mem_init()调用其他工具函数实现内核内存管理。该函数首先调用i386_detect_memory()来计算有多少可以的物理内存页保存到npages和npages_basemem中。然后调用boot_alloc()。
   boot_alloc()实现如下：

static void *
boot_alloc(uint32_t n)
{
    static char *nextfree;  // virtual address of next byte of free memory
    char *result;

    // Initialize nextfree if this is the first time.
    // ‘end‘ is a magic symbol automatically generated by the linker,
    // which points to the end of the kernel‘s bss segment:
    // the first virtual address that the linker did *not* assign
    // to any kernel code or global variables.
    if (!nextfree) {
        extern char end[];                          //在/kern/kernel.ld中定义的符号，位于bss段的末尾
        nextfree = ROUNDUP((char *) end, PGSIZE);
    }

    // Allocate a chunk large enough to hold ‘n‘ bytes, then update
    // nextfree.  Make sure nextfree is kept aligned
    // to a multiple of PGSIZE.
    //
    // LAB 2: Your code here.
    result = nextfree;
    nextfree = ROUNDUP((char *)result + n, PGSIZE);
    cprintf("boot_alloc memory at %x, next memory allocate at %x\n", result, nextfree);
    return result;
}

该函数维护一个static的指针nextfree，初始值是end，end是定义在/kern/kernel.ld中定义的符号，位于bss段的末尾。也就是说从内核的末尾开始分配物理内存。需要添加的代码是：

    result = nextfree;
    nextfree = ROUNDUP((char *)result + n, PGSIZE);
    cprintf("boot_alloc memory at %x, next memory allocate at %x\n", result, nextfree);
    return result;

每次调用都返回nextfree，然后根据参数n更新nextfree的值，使其指向下一个空闲地址处。
mem_init()调用boot_alloc()，将返回值赋给全局变量kern_pgdir，kern_pgdir保存的是内核页目录的物理地址。
接着根据mem_init()中的注释：

    // Allocate an array of npages ‘struct PageInfo‘s and store it in ‘pages‘.
    // The kernel uses this array to keep track of physical pages: for
    // each physical page, there is a corresponding struct PageInfo in this
    // array.  ‘npages‘ is the number of physical pages in memory.  Use memset
    // to initialize all fields of each struct PageInfo to 0.

在mem_init()中补充如下代码：

    pages = (struct PageInfo*)boot_alloc(sizeof(struct PageInfo) * npages); //分配足够大的空间(PGSIZE的倍数)保存pages数组
    memset(pages, 0, sizeof(struct PageInfo) * npages);

这段代码分配足够的的内存空间保存pages数组，pages数组的每一项是一个PageInfo结构，对应一个物理页的信息，定义在inc/memlayout.h中。
接下来mem_init()调用page_init()。
page_init()实现如下：

// --------------------------------------------------------------
// Tracking of physical pages.
// The ‘pages‘ array has one ‘struct PageInfo‘ entry per physical page.
// Pages are reference counted, and free pages are kept on a linked list.
// --------------------------------------------------------------

//
// Initialize page structure and memory free list.
// After this is done, NEVER use boot_alloc again.  ONLY use the page
// allocator functions below to allocate and deallocate physical
// memory via the page_free_list.
//
void
page_init(void)
{
    // The example code here marks all physical pages as free.
    // However this is not truly the case.  What memory is free?
    //  1) Mark physical page 0 as in use.
    //     This way we preserve the real-mode IDT and BIOS structures
    //     in case we ever need them.  (Currently we don‘t, but...)
    //  2) The rest of base memory, [PGSIZE, npages_basemem * PGSIZE)
    //     is free.
    //  3) Then comes the IO hole [IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM), which must
    //     never be allocated.
    //  4) Then extended memory [EXTPHYSMEM, ...).
    //     Some of it is in use, some is free. Where is the kernel
    //     in physical memory?  Which pages are already in use for
    //     page tables and other data structures?
    //
    // Change the code to reflect this.
    // NB: DO NOT actually touch the physical memory corresponding to
    // free pages!
    // 这里初始化pages中的每一项，建立page_free_list链表
    // 已使用的物理页包括如下几部分：
    // 1）第一个物理页是IDT所在，需要标识为已用
    // 2）[IOPHYSMEM, EXTPHYSMEM)称为IO hole的区域，需要标识为已用。
    // 3）EXTPHYSMEM是内核加载的起始位置，终止位置可以由boot_alloc(0)给出（理由是boot_alloc()分配的内存是内核的最尾部），这块区域也要标识
    size_t i;
    size_t io_hole_start_page = (size_t)IOPHYSMEM / PGSIZE;
    size_t kernel_end_page = PADDR(boot_alloc(0)) / PGSIZE;     //这里调了半天，boot_alloc返回的是虚拟地址，需要转为物理地址
    for (i = 0; i < npages; i++) {
        if (i == 0) {
            pages[i].pp_ref = 1;
            pages[i].pp_link = NULL;
        } else if (i >= io_hole_start_page && i < kernel_end_page) {
            pages[i].pp_ref = 1;
            pages[i].pp_link = NULL;
        } else {
            pages[i].pp_ref = 0;
            pages[i].pp_link = page_free_list;
            page_free_list = &pages[i];
        }
    }
}

这个函数的主要作用是初始化之前分配的pages数组，并且构建一个PageInfo链表，保存空闲的物理页，表头是全局变量page_free_list。具体实现看注释。

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