内存管理(页面管理)

内存管理模块分为2部分：物理页面管理和页表管理。前者强调对机器拥有的物理内存的管理，包括建立对应的数据结构、处理分配和回收动作等。而后者主要是强调利用Intel x86系列处理器的页式地址管理功能，完成(虚拟)线性地址到物理地址的转换，包括建立页目录、页表等。

物理页面管理相关的函数：

boot_alloc()

page_init()

page_alloc()

page_free()

背景知识

JOS的启动过程是先把bootsector的内容读到0x7c00处，bootsector中的代码开始执行后，会从磁盘上紧接着自己的第2个扇区开始，一直读8个扇区的内容(一共是8×512=4KB，ELF头的大小)到0x10000(64KB)的地方，然后通过对ELF头的解析，得到kernel模块编译出来后所占的大小，并将kernel读到物理内存0x100000(1MB)开始的地方。

然后设置好GDT，并调用i386_init()函数，而i386_init()函数在将自己的BSS区域清零后，调用cons_init()函数设置屏幕显示，为cprintf的运行做好准备。随后调用i386_detect_memory()函数和i386_vm_init()。后者就是我们内存管理的主要函数了

.bss 节:未初始化的全局变量部分，一部分不会在磁盘有存储空间，因为这些变量并没有被初始化，因此全部默认为0，在将这节装入到内存的时候程序需要为其分配相应大小的初始值为0的内存空间

在调用i386_init()后，系统将重载GDT，新的GDT：

SEG_NULL # null seg
SEG(STA_X|STA_R， -KERNBASE， 0xffffffff) # code seg
SEG(STA_W， -KERNBASE， 0xffffffff) # data seg

新GDT后两项的base，它们是-KERNBASE。如果KERNBASE=0xF0000000，则
GDT的base=0x10000000

页面管理

JOS内核是以页(page)为最小单位，通过链表来管理内存的。它使用MMU来映射，保护每一块被分配出去的内存。操作系统必须要追踪记录哪些内存区域是空闲的，哪些是被占用的。

页面管理相关的数据结构

typedef uint32_t pte_t;
typedef uint32_t pde_t;

struct PageInfo {
    // Next page on the free list.
    // 空闲页面链表next指针
    struct PageInfo *pp_link;

    // pp_ref is the count of pointers (usually in page table entries)
    // to this page, for pages allocated using page_alloc.
    // Pages allocated at boot time using pmap.c's
    // boot_alloc do not have valid reference count fields.

    // 页面状态：空闲/占用
    // 多个不同的虚拟地址被同时映射到相同的物理页上,PageInfo结构体的pp_ref
    // 被位于虚拟地址UTOP之下的虚拟页所映射的次数
    uint16_t pp_ref;
};

下面通过mem_init函数有关页面管理的代码进行简要的分析和流程的梳理。部分代码如下

void mem_init(void)
{
    i386_detect_memory();

    // create initial page directory.
    // kern_pgdir指向操作系统的页目录表，这个页紧跟着操作系统内核之后
    kern_pgdir = (pde_t *) boot_alloc(PGSIZE);
    // 分配一个页的大小，并且将这部分内存清0
    memset(kern_pgdir, 0, PGSIZE);

    // 为页目录表添加第一个页目录表项
    // UVPT：0xef400000，从这个虚拟地址开始，存放的是操作系统的页表kern_pgdir
    // PADDR(kern_pgdir)计算kern_pgdir所对应的真实物理地址
    kern_pgdir[PDX(UVPT)] = PADDR(kern_pgdir) | PTE_U | PTE_P;

    // 分配一块内存，用来存放一个struct PageInfo的数组
    // 数组中的每一个PageInfo代表内存当中的一页,PageInfo为页面链表的节点
    pages = (struct PageInfo *) boot_alloc(sizeof(struct PageInfo) * npages);

    // 内存清0
    memset(pages, 0, npages * sizeof(struct PageInfo));

    page_init();

    check_page_free_list(1);
    check_page_alloc();
}

首先调用i386_detect_memory函数检测现在系统中有多少可用的内存空间。kern_pgdir是指向操作系统的页目录表的指针，操作系统之后工作在虚拟内存模式下时，就需要这个页目录表进行地址转换。

boot_alloc()函数暂时当做页分配器，之后我们使用的真实页分配器是page_alloc()函数。而它的核心思想就是维护一个静态变量nextfree，里面存放着下一个可以使用的空闲内存空间的虚拟地址`，所以每次当我们想要分配n个字节的内存时，我们都需要修改这个变量的值

为页目录表添加第一个页目录表项后，分配一块内存，分配npages数目的结构体PageInfo空间，由pages指向该块内存。操作系统内核通过这个数组来追踪所有内存页的使用情况。然后运行函数page_init()，这个函数初始化两个信息：pages数组和pages_free_list链表(存放着所有空闲页的信息)

page_init后的内存分布

初始化所有物理内存页的相关数据结构后，check_page_free_list(1)和check_page_alloc()，这两个检查程序检查页面管理是否正确。前者检查page_free_list链表的空闲页，是否都是合法/空闲，后者检查page_alloc()，page_free()两个函数是否能够正确运行