抄写Linux源码(Day16：内存管理)

回忆我们需要做的事情：

为了支持 shell 程序的执行，我们需要提供：

1.缺页中断(不理解为什么要这个东西，只是闪客说需要，后边再说)

2.硬盘驱动、文件系统 (shell程序一开始是存放在磁盘里的，所以需要这两个东西)

3.fork,execve, wait 这三个系统调用，也可以说是 进程调度 (否则无法 halt shell 程序并且启动另外的程序)

4.键盘驱动、VGA/console/uart 驱动、中断处理 (支持键盘输入和屏幕显示)

5.内存管理 (shell 启动其它进程时，不能共用内存，而是切换其它进程的页表)

6.为了写代码方便，我们需要从 MBR 进入到 main 函数，这也是从 汇编 切换到 C 语言 --- 已经完成

7.应用程序申请内存的接口

现在已经进入 main 函数了，那么，进入 main 函数后我们要怎么实现上面提到的，还没完成的 6 个要求呢？我们要实现它们才能启动 shell、

用户空间需要有内存管理机制。同样的，内核空间的内存也需要管理，比如我们需要给磁盘分配高速缓存，为了方便管理内核空间内存，我们会去实现如 kfree 和 kalloc 之类的内核函数。

继续看闪客文章第12回

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0MjE3NDE0Ng==\&mid=2247500061\&idx=1\&sn=6cb3382d7ac35ebeac52bbba3a89db4e\&chksm=c2c5bbb0f5b232a6e1b2c7b1f55a7b7057d29ea11348068e122a03b75db220ffe19ea1e8fc24\&scene=178\&cur_album_id=2123743679373688834#rd

书接上回，上回书咱们回顾了一下 main.c 函数之前我们做的全部工作，给进入 main 函数做了一个充分的准备。

那今天我们就话不多说，从 main 函数的第一行代码开始读。

还是把 main 的全部代码都先写出来，很少。

void main(void) {

    ROOT_DEV = ORIG_ROOT_DEV;
    drive_info = DRIVE_INFO;
    memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10);
    memory_end &= 0xfffff000;
    if (memory_end > 16*1024*1024)
        memory_end = 16*1024*1024;
    if (memory_end > 12*1024*1024) 
        buffer_memory_end = 4*1024*1024;
    else if (memory_end > 6*1024*1024)
        buffer_memory_end = 2*1024*1024;
    else
        buffer_memory_end = 1*1024*1024;
    main_memory_start = buffer_memory_end;

    mem_init(main_memory_start,memory_end);
    trap_init();
    blk_dev_init();
    chr_dev_init();
    tty_init();
    time_init();
    sched_init();
    buffer_init(buffer_memory_end);
    hd_init();
    floppy_init();

    sti();
    move_to_user_mode();
    if (!fork()) {      /* we count on this going ok */
        init();
    }

    for(;;) pause();
}

我们今天就看这第一小段。

首先，ROOT_DEV 为系统的根文件设备号，DRIVE_INFO 为之前 setup.s 程序获取并存储在内存 0x90000 处的设备信息，我们先不管这俩，等之后用到了再说。

我们看后面这一坨很影响整体画风的一段代码。

void main(void) {
    ...
    memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10);
    memory_end &= 0xfffff000;
    if (memory_end > 16*1024*1024)
        memory_end = 16*1024*1024;
    if (memory_end > 12*1024*1024) 
        buffer_memory_end = 4*1024*1024;
    else if (memory_end > 6*1024*1024)
        buffer_memory_end = 2*1024*1024;
    else
        buffer_memory_end = 1*1024*1024;
    main_memory_start = buffer_memory_end;
    ...
}

这一坨代码和后面规规整整的 xxx_init 平级的位置，要是我们这么写代码，肯定被老板批评，被同事鄙视了。但 Linus 写的，就是经典，学就完事了。

这一坨代码虽然很乱，但仔细看就知道它只是为了计算出三个变量罢了。

main_memory_start

memory_end

buffer_memory_end

而观察最后一行代码发现，其实两个变量是相等的，所以其实仅仅计算出了两个变量。

main_memory_start

memory_end

然后再具体分析这个逻辑，其实就是一堆 if else 判断而已，判断的标准都是 memory_end 也就是内存最大值的大小，而这个内存最大值由第一行代码可以看出，是等于 1M + 扩展内存大小。(即，内存最小得有 1M)

那 ok 了，其实就只是针对不同的内存大小，设置不同的边界值罢了，为了理解它，我们完全没必要考虑这么周全，就假设总内存一共就 8M 大小吧。

那么如果内存为 8M 大小，memory_end 就是

8 * 1024 * 1024

也就只会走倒数第二个分支，那么 buffer_memory_end 就为

2 * 1024 * 1024

那么 main_memory_start 也为

2 * 1024 * 1024

那这些值有什么用呢？一张图就给你说明白了。

(我们之前把 system 放在 0x0，把栈指针放在 0x9FF00，所以可以认为，内核程序占用内存为 1M)

你看，其实就是定了三个箭头所指向的地址的三个边界变量，具体主内存区是如何管理和分配的，要看下面代码的功劳。

void main(void) {
    ...
    mem_init(main_memory_start, memory_end);
    ...
}

而缓冲区是如何管理和分配的，就要看

void main(void) {
    ...
    buffer_init(buffer_memory_end);
    ...
}

是如何折腾的了。

那我们今天就不背着这两个负担了，仅仅需要知道这三个参数的计算，以及后面是为谁效力的，就好啦，是不是很轻松？后面我们再讲，如何利用这三个参数，来做到内存的管理。

预知后事如何，且听下会分解。

看闪客文章 "操作系统就用一张大表管理内存？"

今天我们不聊具体内存管理的算法，我们就来看看，操作系统用什么样的一张表，达到了管理内存的效果。

我们以 Linux 0.11 源码为例，发现进入内核的 main 函数后不久，有这样一坨代码。

void main(void) {
    ...
    memory_end = (1<<20) + (EXT_MEM_K<<10);
    memory_end &= 0xfffff000;
    if (memory_end > 16*1024*1024)
        memory_end = 16*1024*1024;
    if (memory_end > 12*1024*1024) 
        buffer_memory_end = 4*1024*1024;
    else if (memory_end > 6*1024*1024)
        buffer_memory_end = 2*1024*1024;
    else
        buffer_memory_end = 1*1024*1024;
    main_memory_start = buffer_memory_end;

    mem_init(main_memory_start,memory_end);
    ...
}

除了最后一行外，前面的那一大坨的作用很简单。

其实就只是针对不同的内存大小，设置不同的边界值罢了，为了理解它，我们完全没必要考虑这么周全，就假设总内存一共就 8M 大小吧。

那么如果内存为 8M 大小，memory_end 就是

8 * 1024 * 1024

也就只会走倒数第二个分支，那么 buffer_memory_end 就为

2 * 1024 * 1024

那么 main_memory_start 也为

2 * 1024 * 1024

你仔细看看代码逻辑，看是不是这样？

当然，你不愿意细想也没关系，上述代码执行后，就是如下效果而已。

你看，其实就是定了三个箭头所指向的地址的三个边界变量。具体主内存区是如何管理和分配的，要看 mem_init 里做了什么。

void main(void) {
    ...
    mem_init(main_memory_start, memory_end);
    ...
}

而缓冲区是如何管理和分配的，就要看再后面的 buffer_init 里干了什么。

void main(void) {
    ...
    buffer_init(buffer_memory_end);
    ...
}

不过我们今天只看，主内存是如何管理的，很简单，放轻松。

进入 mem_init 函数。

#define LOW_MEM 0x100000
#define PAGING_MEMORY (15*1024*1024)
#define PAGING_PAGES (PAGING_MEMORY>>12)
#define MAP_NR(addr) (((addr)-LOW_MEM)>>12)
#define USED 100

static long HIGH_MEMORY = 0;
static unsigned char mem_map[PAGING_PAGES] = { 0, };

// start_mem = 2 * 1024 * 1024
// end_mem = 8 * 1024 * 1024
void mem_init(long start_mem, long end_mem)
{
    int i;
    HIGH_MEMORY = end_mem;
    for (i=0 ; i<PAGING_PAGES ; i++)
        mem_map[i] = USED;
    i = MAP_NR(start_mem);
    end_mem -= start_mem;
    end_mem >>= 12;
    while (end_mem-->0)
        mem_map[i++]=0;
}

发现也没几行，而且并没有更深的方法调用，看来是个好欺负的方法。

仔细一看这个方法，其实折腾来折腾去，就是给一个 mem_map 数组的各个位置上赋了值，而且显示全部赋值为 USED 也就是 100，然后对其中一部分又赋值为了 0。

赋值为 100 的部分就是 USED，也就表示内存被占用，如果再具体说是占用了 100 次，这个之后再说。剩下赋值为 0 的部分就表示未被使用，也即使用次数为零。

是不是很简单？就是准备了一个表，记录了哪些内存被占用了，哪些内存没被占用。这就是所谓的"管理"，并没有那么神乎其神。

那接下来自然有两个问题，每个元素表示占用和未占用，这个表示的范围是多大？初始化时哪些地方是占用的，哪些地方又是未占用的？

还是一张图就看明白了，我们仍然假设内存总共只有 8M。

可以看出，初始化完成后，其实就是 mem_map 这个数组的每个元素都代表一个 4K 内存是否空闲（准确说是使用次数）。

4K 内存通常叫做 1 页内存，而这种管理方式叫分页管理，就是把内存分成一页一页（4K）的单位去管理。

1M 以下的内存这个数组干脆没有记录，这里的内存是无需管理的，或者换个说法是无权管理的，也就是没有权利申请和释放，因为这个区域是内核代码所在的地方，不能被"污染"。

1M 到 2M 这个区间是缓冲区，2M 是缓冲区的末端，缓冲区的开始在哪里之后再说，这些地方不是主内存区域，因此直接标记为 USED，产生的效果就是无法再被分配了。

2M 以上的空间是主内存区域，而主内存目前没有任何程序申请，所以初始化时统统都是零，未来等着应用程序去申请和释放这里的内存资源。

那应用程序如何申请内存呢？我们本讲不展开，不过我们简单展望一下，看看申请内存的过程中，是如何使用 mem_map 这个结构的。

在 memory.c 文件中有个函数 get_free_page()，用于在主内存区中申请一页空闲内存页，并返回物理内存页的起始地址。

比如我们在 fork 子进程的时候，会调用 copy_process 函数来复制进程的结构信息，其中有一个步骤就是要申请一页内存，用于存放进程结构信息 task_struct。

int copy_process(...) {
    struct task_struct *p;
    ...
    p = (struct task_struct *) get_free_page();
    ...
}

我们看 get_free_page 的具体实现，是内联汇编代码，看不懂不要紧，注意它里面就有 mem_map 结构的使用。

unsigned long get_free_page(void) {
    register unsigned long __res asm("ax");
    __asm__(
        "std ; repne ; scasb\n\t"
        "jne 1f\n\t"
        "movb $1,1(%%edi)\n\t"
        "sall $12,%%ecx\n\t"
        "addl %2,%%ecx\n\t"
        "movl %%ecx,%%edx\n\t"
        "movl $1024,%%ecx\n\t"
        "leal 4092(%%edx),%%edi\n\t"
        "rep ; stosl\n\t"
        "movl %%edx,%%eax\n"
        "1:"
        :"=a" (__res)
        :"0" (0),"i" (LOW_MEM),"c" (PAGING_PAGES),
        "D" (mem_map + PAGING_PAGES-1)
        :"di","cx","dx");
    return __res;
}

就是选择 mem_map 中首个空闲页面，并标记为已使用。

好了，本讲就这么多，只是填写了一张大表而已，简单吧？之后的内存申请与释放等骚操作，统统是跟着张大表 mem_map 打交道而已，你一定要记住它哦。

看完了闪客文章 "操作系统就用一张大表管理内存？"

TODO:here