RT-Smart页初始化相关功能及物理页分配算法伙伴系统的实现

想要对 RT-Smart 的物理页内存管理功能有所了解，需要熟悉相关代码：

RT-Smart 页初始化相关功能

物理页分配算法伙伴系统的实现

物理页管理初始化

在系统初始化早期，会先执行 rt_page_init 函数来对物理页管理所需要的数据结构进行初始化，下面是对这段代码的详细解释：

 

 1#define ARCH_PAGE_SHIFT     12
 2#define ARCH_PAGE_SIZE      (1 << ARCH_PAGE_SHIFT)
 3#define ARCH_PAGE_MASK      (ARCH_PAGE_SIZE - 1) /* b 1111 1111 1111  */
 4/* 从这 PAGE_START PAGE_END 可以看出，分配给物理页的地址是从 KERNEL_VADDR_START 开始的第 16M 到 128M 之间  */
 5#define HEAP_END        (void*)(KERNEL_VADDR_START + 16 * 1024 * 1024)
 6#define PAGE_START      HEAP_END
 7#define PAGE_END        (void*)(KERNEL_VADDR_START + 128 * 1024 * 1024)
 8static struct page *page_list[ARCH_PAGE_LIST_SIZE];
 9/* 传入给页初始化函数的结构体，存储了物理页管理的地址范围 */
10rt_region_t init_page_region = {
11    (uint32_t)PAGE_START,
12    (uint32_t)PAGE_END,
13};
14/* 物理页管理数据结构 */
15struct page
16{
17    struct page *next;  /* same level next */
18    struct page *pre;   /* same level pre  */
19    uint32_t size_bits; /* if is ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS, means not free */
20    int ref_cnt;        /* page group ref count */
21};
22static struct page* page_start;
23static void*  page_addr;
24static size_t page_nr;
25/* 实际执行物理页管理数据结构的初始化，默认物理页大小为 4K */
26void rt_page_init(rt_region_t reg)
27{
28    int i;
29    LOG_D("split 0x%08x 0x%08x
", reg.start, reg.end);
30    /* 调整物理内存的起始地址为 4K 对齐 */
31    reg.start += ARCH_PAGE_MASK;
32    reg.start &= ~ARCH_PAGE_MASK;
33    reg.end &= ~ARCH_PAGE_MASK;
34    /* 计算管理物理页所需数据结构所占用的内存空间，以及可以有多少可以被分配的物理页 */
35    {
36        /* 计算一个物理页也就是 4k 可以存放多少个 page 结构体 */
37        int nr = ARCH_PAGE_SIZE / sizeof(struct page); 
38        /* 计算总共有多少个可用物理页 */
39        int total = (reg.end - reg.start) >> ARCH_PAGE_SHIFT;  
40        /* 计算需要多少个页的内存用于存放管理页数据结构 */
41        int mnr = (total + nr) / (nr + 1);      
42        LOG_D("nr = 0x%08x
", nr);
43        LOG_D("total = 0x%08x
", total);
44        LOG_D("mnr = 0x%08x
", mnr);
45        page_start = (struct page*)reg.start;
46        /* 计算除去用于管理的内存页，可用于物理页分配的起始地址 */ 
47        reg.start += (mnr << ARCH_PAGE_SHIFT);  
48        page_addr = (void*)reg.start;
49        /* 计算有多少个物理页可供分配 */ 
50        page_nr = (reg.end - reg.start) >> ARCH_PAGE_SHIFT; 
51    }
52    LOG_D("align 0x%08x 0x%08x
", reg.start, reg.end);
53    /* 初始化空闲 page 分配链表*/ 
54    for (i = 0; i < ARCH_PAGE_LIST_SIZE; i++)
55    {
56        page_list[i] = 0;
57    }
58    /* 初始化可供分配的物理页管理结构体 */
59    for (i = 0; i < page_nr; i++)
60    {
61        page_start[i].size_bits = ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS;
62        page_start[i].ref_cnt = 1;
63    }
64    /* 将所有可供分配的空闲页，使用伙伴算法加入到空闲链表 */
65    while (reg.start != reg.end)
66    {
67        struct page *p;
68        int align_bits;
69        int size_bits;
70        /* 计算合适的物理页大小 size_bits 值 */
71        size_bits = ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS - 1 - rt_clz(reg.end - reg.start);
72        align_bits = rt_ctz(reg.start);
73        if (align_bits < size_bits)
74        {
75            size_bits = align_bits;
76        }
77        /* 从实际物理页地址找到相应的管理页地址 */
78        p = addr_to_page((void*)reg.start);
79        p->size_bits = ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS;
80        p->ref_cnt = 1;
81        /* 将相应的管理页结构体加入到页空闲链表上，
82           由此可以知道物理页空闲链表上挂接的是物理页的管理结构体 */
83        _pages_free(p, size_bits - ARCH_PAGE_SHIFT);
84        reg.start += (1UL << size_bits);
85    }
86}

 

物理页管理算法简介

伙伴系统在现代操作系统中被广泛地用于分配连续的物理内存页。其基本思想是将物理内存划分成连续的块，以块作为基本单位进行分配。不同块的大小可以不同，但每个块都由一个或多个连续的物理页组成，物理页的数量必须是 2 的 n 次幂（ 0 <= n < 预设的最大值），其中预设的最大值将决定能够分配的连续物理内存区域的最大大小，一般由开发者根据实际需要指定。

当一个请求需要分配 m 个物理页时，伙伴系统将寻找一个大小合适的块，该块包含 $2^n$ 个物理页，且满足 $2^{n-1} < m < 2^n$。在处理分配请求的过程中，大的块可以分裂成两半，即两个小一号的块，这两个块互为伙伴。分裂得到块可以继续分裂，直到得到一个大小合适的块去服务相应的分配请求。在一个块被释放后，分配器会找到其伙伴块，若伙伴块页处于空闲的状态，则将这两个伙伴块进行合并没形成一个大一号的空闲块，然后继续尝试向上合并。由分裂操作和合并操作都是级联的，因此能够很好地缓解外部碎片的问题。

下图表达了伙伴系统的基本思想，基于伙伴块进行分裂与合并。

伙伴系统实现

在 RT-Smart 系统中，使用空闲链表数组来实现伙伴系统。具体来说，全局有一个有序数组，数组的每一项指向一条空闲链表，每条链表将其对应大小的空闲块连接起来，一条链表中的空闲块大小相同。当接收到分配请求后，伙伴分配器首先算出应该分配多大的空闲块，然后查找对应的空闲链表。

想要了解物理页算法的实现过程，那就要熟悉物理页的申请和释放算法，也就是页面释放函数 _pages_free 和物理页申请函数 _pages_alloc。

物理页释放

 

 1static int _pages_free(struct page *p, uint32_t size_bits)
 2{
 3    /* 根据 size_bits 获取当前物理页的大小 */
 4    uint32_t level = size_bits;
 5    uint32_t high = ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS - size_bits - 1;
 6    struct page *buddy;
 7    RT_ASSERT(p->ref_cnt > 0);
 8    RT_ASSERT(p->size_bits == ARCH_ADDRESS_WIDTH_BITS);
 9     /* 将该物理页的引用计数减一，如果引用计数不为 0 则直接返回 */
10    p->ref_cnt--;
11    if (p->ref_cnt != 0)
12    {
13        return 0;
14    }
15    /* 判断当前页大小是否比最大空闲页小，如果大小为最大空闲页，则直接将该页插入到最大空闲页链表 */
16    while (level < high)
17    {
18        /* 根据当前物理页的信息和级别，判断它的 buddy 是否存在 */
19        buddy = buddy_get(p, level);
20        /* 如果当前物理页的 buddy 存在且级别与当前物理页相同，则将他们合并成为更高一级别的物理页 */
21        if (buddy && buddy->size_bits == level)
22        {
23            page_remove(buddy, level);
24            p = (p < buddy) ? p : buddy;
25            level++;
26        }
27        else
28        {
29            /* buddy 不存在，则退出查找 */
30            break;
31        }
32    }
33    /* 将指定级别的空闲页插入到空闲链表中 */
34    page_insert(p, level);
35    return 1;
36}

 

物理页申请

通过上面的物理页释放与分配过程，就实现了 RT-Smart 系统中的物理页管理过程。

　　审核编辑：汤梓红