xv6-内存管理

内存管理

物理内存初始化

• xv6 在 main 函数中调用 kinit1 和 kinit2 来初始化物理内存，kinit1 初始化内核末尾到物理内存 4M 的物理内存空间为未使用

• kinit2 初始化剩余内核空间到 PHYSTOP 为未使用

  kinit1(end, P2V(4*1024*1024)); // phys page allocator
  kinit2(P2V(4*1024*1024), P2V(PHYSTOP)); // must come after startothers()

• kinit2 在内核构建了新页表后，能够完全访问内核的虚拟地址空间，所以在这里初始化所有物理内存，并开始了锁机制保护空闲内存链表。

  void
  kinit2(void *vstart, void *vend)
  {
    freerange(vstart, vend);
    kmem.use_lock = 1;
  }

内核新页表初始化

• main 函数通过调用 kvmalloc 函数来实现内核新页表的初始化

  pde_t *kpgdir;  // for use in scheduler()
  void
  kvmalloc(void)
  {
    kpgdir = setupkvm();
    switchkvm();
  }
  
  // This table defines the kernel's mappings, which are present in
  // every process's page table.
  static struct kmap {
    void *virt;
    uint phys_start;
    uint phys_end;
    int perm;
  } kmap[] = {
   { (void*)KERNBASE, 0,             EXTMEM,    PTE_W}, // I/O space
   { (void*)KERNLINK, V2P(KERNLINK), V2P(data), 0},     // kern text+rodata
   { (void*)data,     V2P(data),     PHYSTOP,   PTE_W}, // kern data+memory
   { (void*)DEVSPACE, DEVSPACE,      0,         PTE_W}, // more devices
  };

  

物理内存管理

• xv6 对上层提供 kalloc 和 kfree 接口来管理物理内存，上层无需知道具体的细节，kalloc 返回虚拟地址空间的地址，kfree 以虚拟地址为参数，通过 kalloc 和 kfree 能够有效管理物理内存，让上层只需要考虑虚拟地址空间。

  struct run {
    struct run *next;
  };
  
  struct {
    struct spinlock lock;
    int use_lock;
    struct run *freelist;
  } kmem;

xv6 内存管理函数

• xv6 通过提供几个接口来实现内核页表的控制和用户页表的控制，xv6 让每个进程都有独立的页表结构，在切换进程时总是需要切换页表；

• switchkvm 简单地将 kpgdir 设置为 cr3 寄存器的值，这个页表仅仅在 scheduler 内核线程中使用。

• 页表和内核栈都是每个进程独有的，xv6 使用结构体 proc 将它们统一起来，在进程切换的时候，他们也往往随着进程切换而切换，内核中模拟出了一个内核线程，它独占内核栈和内核页表 kpgdir，它是所有进程调度的基础。

• switchuvm 通过传入的 proc 结构负责切换相关的进程独有的数据结构，其中包括 TSS 相关的操作，然后将进程特有的页表载入 cr3 寄存器，完成设置进程相关的虚拟地址空间环境。

• 进程的页表在使用前往往需要初始化，其中必须包含内核代码的映射，这样进程在进入内核时便不需要再次切换页表，进程使用虚拟地址空间的低地址部分，高地址部分留给内核，设置页表时通过调用 setupkvm、allocuvm、deallocuvm 接口完成相关操作

  // Switch h/w page table register to the kernel-only page table,
  // for when no process is running.
  void
  switchkvm(void)
  {
    lcr3(V2P(kpgdir));   // switch to the kernel page table
  }
  
  // Switch TSS and h/w page table to correspond to process p.
  void
  switchuvm(struct proc *p)
  {
    pushcli();
    cpu->gdt[SEG_TSS] = SEG16(STS_T32A, &cpu->ts, sizeof(cpu->ts)-1, 0);
    cpu->gdt[SEG_TSS].s = 0;
    cpu->ts.ss0 = SEG_KDATA << 3;
    cpu->ts.esp0 = (uint)proc->kstack + KSTACKSIZE;
    // setting IOPL=0 in eflags *and* iomb beyond the tss segment limit
    // forbids I/O instructions (e.g., inb and outb) from user space
    cpu->ts.iomb = (ushort) 0xFFFF;
    ltr(SEG_TSS << 3);
    if(p->pgdir == 0)
      panic("switchuvm: no pgdir");
    lcr3(V2P(p->pgdir));  // switch to process's address space
    popcli();
  }

• xv6 vm.c 文件中还提供了 loaduvm 将文件系统上的 i 节点内容读取载入到相应的地址上，通过 allocuvm 接口为用户进程分配内存和设置页表，然后调用 loaduvm 接口将文件系统上的程序载入到内存，便能够为 exec 系统调用提供接口，为用户进程的正式运行做准备。

  // Load a program segment into pgdir.  addr must be page-aligned
  // and the pages from addr to addr+sz must already be mapped.
  int
  loaduvm(pde_t *pgdir, char *addr, struct inode *ip, uint offset, uint sz)
  {
    uint i, pa, n;
    pte_t *pte;
  
    if((uint) addr % PGSIZE != 0)
      panic("loaduvm: addr must be page aligned");
    for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
      if((pte = walkpgdir(pgdir, addr+i, 0)) == 0)
        panic("loaduvm: address should exist");
      pa = PTE_ADDR(*pte);
      if(sz - i < PGSIZE)
        n = sz - i;
      else
        n = PGSIZE;
      if(readi(ip, P2V(pa), offset+i, n) != n)
        return -1;
    }
    return 0;
  }

• 在 vm.c 中，copyuvm 负责复制一个新的页表并分配新的内存，新的内存布局和旧的完全一样，xv6 使用这个函数作为 fork 的底层实现

  // Given a parent process's page table, create a copy
  // of it for a child.
  pde_t*
  copyuvm(pde_t *pgdir, uint sz)
  {
    pde_t *d;
    pte_t *pte;
    uint pa, i, flags;
    char *mem;
  
    if((d = setupkvm()) == 0)
      return 0;
    for(i = 0; i < sz; i += PGSIZE){
      if((pte = walkpgdir(pgdir, (void *) i, 0)) == 0)
        panic("copyuvm: pte should exist");
      if(!(*pte & PTE_P))
        panic("copyuvm: page not present");
      pa = PTE_ADDR(*pte);
      flags = PTE_FLAGS(*pte);
      if((mem = kalloc()) == 0)
        goto bad;
      memmove(mem, (char*)P2V(pa), PGSIZE);
      if(mappages(d, (void*)i, PGSIZE, V2P(mem), flags) < 0)
        goto bad;
    }
    return d;
  
  bad:
    freevm(d);
    return 0;
  }

• uva2ka 将一个用户地址转化为内核地址，也就是通过用户地址找到对应的物理地址，然后退出这个物理地址在内核页表中的虚拟地址并返回，copyout 则调用 uva2ka 则拷贝 p 地址 len 字节到用户地址 va 中

  // Map user virtual address to kernel address.
  char*
  uva2ka(pde_t *pgdir, char *uva)
  {
    pte_t *pte;
  
    pte = walkpgdir(pgdir, uva, 0);
    if((*pte & PTE_P) == 0)
      return 0;
    if((*pte & PTE_U) == 0)
      return 0;
    return (char*)P2V(PTE_ADDR(*pte));
  }
  
  // Copy len bytes from p to user address va in page table pgdir.
  // Most useful when pgdir is not the current page table.
  // uva2ka ensures this only works for PTE_U pages.
  int
  copyout(pde_t *pgdir, uint va, void *p, uint len)
  {
    char *buf, *pa0;
    uint n, va0;
  
    buf = (char*)p;
    while(len > 0){
      va0 = (uint)PGROUNDDOWN(va);
      pa0 = uva2ka(pgdir, (char*)va0);
      if(pa0 == 0)
        return -1;
      n = PGSIZE - (va - va0);
      if(n > len)
        n = len;
      memmove(pa0 + (va - va0), buf, n);
      len -= n;
      buf += n;
      va = va0 + PGSIZE;
    }
    return 0;
  }