xref: /DragonOS/kernel/src/mm/allocator/buddy.rs (revision 26887c6334cdca2d13ad71dec27fb69faa0a57be)
140fe15e0SLoGin /// @Author: longjin@dragonos.org
240fe15e0SLoGin /// @Author: kongweichao@dragonos.org
340fe15e0SLoGin /// @Date: 2023-03-28 16:03:47
440fe15e0SLoGin /// @FilePath: /DragonOS/kernel/src/mm/allocator/buddy.rs
540fe15e0SLoGin /// @Description: 伙伴分配器
640fe15e0SLoGin use crate::arch::MMArch;
740fe15e0SLoGin use crate::mm::allocator::bump::BumpAllocator;
840fe15e0SLoGin use crate::mm::allocator::page_frame::{FrameAllocator, PageFrameCount, PageFrameUsage};
940fe15e0SLoGin use crate::mm::{MemoryManagementArch, PhysAddr, VirtAddr};
10*26887c63SLoGin use crate::{kdebug, kwarn};
1140fe15e0SLoGin use core::cmp::{max, min};
1240fe15e0SLoGin use core::fmt::Debug;
1340fe15e0SLoGin use core::intrinsics::{likely, unlikely};
1440fe15e0SLoGin 
1540fe15e0SLoGin use core::{marker::PhantomData, mem};
1640fe15e0SLoGin 
1740fe15e0SLoGin // 一个全局变量MAX_ORDER,用来表示buddy算法的最大阶数 [MIN_ORDER, MAX_ORDER)左闭右开区间
1840fe15e0SLoGin const MAX_ORDER: usize = 31;
1940fe15e0SLoGin // 4KB
2040fe15e0SLoGin const MIN_ORDER: usize = 12;
2140fe15e0SLoGin 
2240fe15e0SLoGin /// 保存buddy算法中每一页存放的BuddyEntry的信息,占据每个页的起始位置
2340fe15e0SLoGin #[derive(Debug)]
2440fe15e0SLoGin pub struct PageList<A> {
2540fe15e0SLoGin     // 页存放entry的数量
2640fe15e0SLoGin     entry_num: usize,
2740fe15e0SLoGin     // 下一个页面的地址
2840fe15e0SLoGin     next_page: PhysAddr,
2940fe15e0SLoGin     phantom: PhantomData<A>,
3040fe15e0SLoGin }
3140fe15e0SLoGin 
3240fe15e0SLoGin impl<A> Clone for PageList<A> {
3340fe15e0SLoGin     fn clone(&self) -> Self {
3440fe15e0SLoGin         Self {
3540fe15e0SLoGin             entry_num: self.entry_num,
3640fe15e0SLoGin             next_page: self.next_page,
3740fe15e0SLoGin             phantom: PhantomData,
3840fe15e0SLoGin         }
3940fe15e0SLoGin     }
4040fe15e0SLoGin }
4140fe15e0SLoGin 
4240fe15e0SLoGin impl<A> PageList<A> {
4340fe15e0SLoGin     #[allow(dead_code)]
4440fe15e0SLoGin     fn empty() -> Self {
4540fe15e0SLoGin         Self {
4640fe15e0SLoGin             entry_num: 0,
4740fe15e0SLoGin             next_page: PhysAddr::new(0),
4840fe15e0SLoGin             phantom: PhantomData,
4940fe15e0SLoGin         }
5040fe15e0SLoGin     }
5140fe15e0SLoGin     fn new(entry_num: usize, next_page: PhysAddr) -> Self {
5240fe15e0SLoGin         Self {
5340fe15e0SLoGin             entry_num,
5440fe15e0SLoGin             next_page,
5540fe15e0SLoGin             phantom: PhantomData,
5640fe15e0SLoGin         }
5740fe15e0SLoGin     }
5840fe15e0SLoGin }
5940fe15e0SLoGin 
6040fe15e0SLoGin /// @brief: 用来表示 buddy 算法中的一个 buddy 块,整体存放在area的头部
6140fe15e0SLoGin // 这种方式会出现对齐问题
6240fe15e0SLoGin // #[repr(packed)]
6340fe15e0SLoGin #[repr(C)]
6440fe15e0SLoGin #[derive(Debug)]
6540fe15e0SLoGin pub struct BuddyAllocator<A> {
6640fe15e0SLoGin     // 存放每个阶的空闲“链表”的头部地址
6740fe15e0SLoGin     free_area: [PhysAddr; (MAX_ORDER - MIN_ORDER) as usize],
6840fe15e0SLoGin     phantom: PhantomData<A>,
6940fe15e0SLoGin }
7040fe15e0SLoGin 
7140fe15e0SLoGin impl<A: MemoryManagementArch> BuddyAllocator<A> {
7240fe15e0SLoGin     const BUDDY_ENTRIES: usize =
7340fe15e0SLoGin         // 定义一个变量记录buddy表的大小
7440fe15e0SLoGin         (A::PAGE_SIZE - mem::size_of::<PageList<A>>()) / mem::size_of::<PhysAddr>();
7540fe15e0SLoGin 
7640fe15e0SLoGin     pub unsafe fn new(mut bump_allocator: BumpAllocator<A>) -> Option<Self> {
7740fe15e0SLoGin         let initial_free_pages = bump_allocator.usage().free();
7840fe15e0SLoGin         kdebug!("Free pages before init buddy: {:?}", initial_free_pages);
7940fe15e0SLoGin         kdebug!("Buddy entries: {}", Self::BUDDY_ENTRIES);
8040fe15e0SLoGin         // 最高阶的链表页数
8140fe15e0SLoGin         let max_order_linked_list_page_num = max(
8240fe15e0SLoGin             1,
8340fe15e0SLoGin             (((initial_free_pages.data() * A::PAGE_SIZE) >> (MAX_ORDER - 1)) + Self::BUDDY_ENTRIES
8440fe15e0SLoGin                 - 1)
8540fe15e0SLoGin                 / Self::BUDDY_ENTRIES,
8640fe15e0SLoGin         );
8740fe15e0SLoGin 
8840fe15e0SLoGin         let mut free_area: [PhysAddr; (MAX_ORDER - MIN_ORDER) as usize] =
8940fe15e0SLoGin             [PhysAddr::new(0); (MAX_ORDER - MIN_ORDER) as usize];
9040fe15e0SLoGin 
9140fe15e0SLoGin         // Buddy初始占用的空间从bump分配
9240fe15e0SLoGin         for f in free_area.iter_mut() {
9340fe15e0SLoGin             let curr_page = bump_allocator.allocate_one();
9440fe15e0SLoGin             // 保存每个阶的空闲链表的头部地址
9540fe15e0SLoGin             *f = curr_page.unwrap();
9640fe15e0SLoGin             // 清空当前页
9740fe15e0SLoGin             core::ptr::write_bytes(MMArch::phys_2_virt(*f)?.data() as *mut u8, 0, A::PAGE_SIZE);
9840fe15e0SLoGin 
9940fe15e0SLoGin             let page_list: PageList<A> = PageList::new(0, PhysAddr::new(0));
10040fe15e0SLoGin             Self::write_page(*f, page_list);
10140fe15e0SLoGin         }
10240fe15e0SLoGin 
10340fe15e0SLoGin         // 分配最高阶的链表页
10440fe15e0SLoGin         for _ in 1..max_order_linked_list_page_num {
10540fe15e0SLoGin             let curr_page = bump_allocator.allocate_one().unwrap();
10640fe15e0SLoGin             // 清空当前页
10740fe15e0SLoGin             core::ptr::write_bytes(
10840fe15e0SLoGin                 MMArch::phys_2_virt(curr_page)?.data() as *mut u8,
10940fe15e0SLoGin                 0,
11040fe15e0SLoGin                 A::PAGE_SIZE,
11140fe15e0SLoGin             );
11240fe15e0SLoGin 
11340fe15e0SLoGin             let page_list: PageList<A> =
11440fe15e0SLoGin                 PageList::new(0, free_area[Self::order2index((MAX_ORDER - 1) as u8)]);
11540fe15e0SLoGin             Self::write_page(curr_page, page_list);
11640fe15e0SLoGin             free_area[Self::order2index((MAX_ORDER - 1) as u8)] = curr_page;
11740fe15e0SLoGin         }
11840fe15e0SLoGin 
11940fe15e0SLoGin         let initial_bump_offset = bump_allocator.offset();
12040fe15e0SLoGin         let pages_to_buddy = bump_allocator.usage().free();
12140fe15e0SLoGin         kdebug!("pages_to_buddy {:?}", pages_to_buddy);
12240fe15e0SLoGin         // kdebug!("initial_bump_offset {:#x}", initial_bump_offset);
12340fe15e0SLoGin         let mut paddr = initial_bump_offset;
12440fe15e0SLoGin         let mut remain_pages = pages_to_buddy;
12540fe15e0SLoGin         // 设置entry,这里假设了bump_allocator当前offset之后,所有的area的地址是连续的.
12640fe15e0SLoGin         // TODO: 这里需要修改,按照area来处理
12740fe15e0SLoGin         for i in MIN_ORDER..MAX_ORDER {
12840fe15e0SLoGin             // kdebug!("i {i}, remain pages={}", remain_pages.data());
12940fe15e0SLoGin             if remain_pages.data() < (1 << (i - MIN_ORDER)) {
13040fe15e0SLoGin                 break;
13140fe15e0SLoGin             }
13240fe15e0SLoGin 
13340fe15e0SLoGin             assert!(paddr & ((1 << i) - 1) == 0);
13440fe15e0SLoGin 
13540fe15e0SLoGin             if likely(i != MAX_ORDER - 1) {
13640fe15e0SLoGin                 // 要填写entry
13740fe15e0SLoGin                 if paddr & (1 << i) != 0 {
13840fe15e0SLoGin                     let page_list_paddr: PhysAddr = free_area[Self::order2index(i as u8)];
13940fe15e0SLoGin                     let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr);
14040fe15e0SLoGin 
14140fe15e0SLoGin                     A::write(
14240fe15e0SLoGin                         Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num),
14340fe15e0SLoGin                         paddr,
14440fe15e0SLoGin                     );
14540fe15e0SLoGin                     page_list.entry_num += 1;
14640fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_paddr, page_list);
14740fe15e0SLoGin 
14840fe15e0SLoGin                     paddr += 1 << i;
14940fe15e0SLoGin                     remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER);
15040fe15e0SLoGin                 };
15140fe15e0SLoGin             } else {
15240fe15e0SLoGin                 // 往最大的阶数的链表中添加entry(注意要考虑到最大阶数的链表可能有多页)
15340fe15e0SLoGin                 // 断言剩余页面数量是MAX_ORDER-1阶的整数倍
15440fe15e0SLoGin 
15540fe15e0SLoGin                 let mut entries = (remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE) >> i;
15640fe15e0SLoGin                 let mut page_list_paddr: PhysAddr = free_area[Self::order2index(i as u8)];
15740fe15e0SLoGin                 let block_size = 1usize << i;
15840fe15e0SLoGin 
15940fe15e0SLoGin                 if entries > Self::BUDDY_ENTRIES {
16040fe15e0SLoGin                     // 在第一页填写一些entries
16140fe15e0SLoGin                     let num = entries % Self::BUDDY_ENTRIES;
16240fe15e0SLoGin                     entries -= num;
16340fe15e0SLoGin 
16440fe15e0SLoGin                     let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr);
16540fe15e0SLoGin                     for _j in 0..num {
16640fe15e0SLoGin                         A::write(
16740fe15e0SLoGin                             Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num),
16840fe15e0SLoGin                             paddr,
16940fe15e0SLoGin                         );
17040fe15e0SLoGin                         page_list.entry_num += 1;
17140fe15e0SLoGin                         paddr += block_size;
17240fe15e0SLoGin                         remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER);
17340fe15e0SLoGin                     }
17440fe15e0SLoGin                     page_list_paddr = page_list.next_page;
17540fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_paddr, page_list);
17640fe15e0SLoGin                     assert!(!page_list_paddr.is_null());
17740fe15e0SLoGin                 }
17840fe15e0SLoGin 
17940fe15e0SLoGin                 while entries > 0 {
18040fe15e0SLoGin                     let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr);
18140fe15e0SLoGin 
18240fe15e0SLoGin                     for _ in 0..Self::BUDDY_ENTRIES {
18340fe15e0SLoGin                         A::write(
18440fe15e0SLoGin                             Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num),
18540fe15e0SLoGin                             paddr,
18640fe15e0SLoGin                         );
18740fe15e0SLoGin                         page_list.entry_num += 1;
18840fe15e0SLoGin                         paddr += block_size;
18940fe15e0SLoGin                         remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER);
19040fe15e0SLoGin                         entries -= 1;
19140fe15e0SLoGin                         if entries == 0 {
19240fe15e0SLoGin                             break;
19340fe15e0SLoGin                         }
19440fe15e0SLoGin                     }
19540fe15e0SLoGin                     page_list_paddr = page_list.next_page;
19640fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_paddr, page_list);
19740fe15e0SLoGin 
19840fe15e0SLoGin                     if likely(entries > 0) {
19940fe15e0SLoGin                         assert!(!page_list_paddr.is_null());
20040fe15e0SLoGin                     }
20140fe15e0SLoGin                 }
20240fe15e0SLoGin             }
20340fe15e0SLoGin         }
20440fe15e0SLoGin 
20540fe15e0SLoGin         let mut remain_bytes = remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE;
20640fe15e0SLoGin 
20740fe15e0SLoGin         assert!(remain_bytes < (1 << MAX_ORDER - 1));
20840fe15e0SLoGin 
20940fe15e0SLoGin         for i in (MIN_ORDER..MAX_ORDER).rev() {
210*26887c63SLoGin             if remain_bytes >= (1 << i) {
211*26887c63SLoGin                 assert!(paddr & ((1 << i) - 1) == 0);
21240fe15e0SLoGin                 let page_list_paddr: PhysAddr = free_area[Self::order2index(i as u8)];
21340fe15e0SLoGin                 let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr);
21440fe15e0SLoGin 
21540fe15e0SLoGin                 A::write(
21640fe15e0SLoGin                     Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num),
21740fe15e0SLoGin                     paddr,
21840fe15e0SLoGin                 );
21940fe15e0SLoGin                 page_list.entry_num += 1;
22040fe15e0SLoGin                 Self::write_page(page_list_paddr, page_list);
22140fe15e0SLoGin 
22240fe15e0SLoGin                 paddr += 1 << i;
22340fe15e0SLoGin                 remain_bytes -= 1 << i;
22440fe15e0SLoGin             }
22540fe15e0SLoGin         }
22640fe15e0SLoGin 
22740fe15e0SLoGin         assert!(remain_bytes == 0);
22840fe15e0SLoGin         assert!(paddr == initial_bump_offset + pages_to_buddy.data() * A::PAGE_SIZE);
22940fe15e0SLoGin 
23040fe15e0SLoGin         // Self::print_free_area(free_area);
23140fe15e0SLoGin         let allocator = Self {
23240fe15e0SLoGin             free_area,
23340fe15e0SLoGin             phantom: PhantomData,
23440fe15e0SLoGin         };
23540fe15e0SLoGin 
23640fe15e0SLoGin         Some(allocator)
23740fe15e0SLoGin     }
23840fe15e0SLoGin     /// 获取第j个entry的虚拟地址,
23940fe15e0SLoGin     /// j从0开始计数
24040fe15e0SLoGin     pub fn entry_virt_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> VirtAddr {
24140fe15e0SLoGin         let entry_virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(Self::entry_addr(base_addr, j)) };
24240fe15e0SLoGin         return entry_virt_addr.unwrap();
24340fe15e0SLoGin     }
24440fe15e0SLoGin     pub fn entry_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> PhysAddr {
24540fe15e0SLoGin         let entry_addr = base_addr + mem::size_of::<PageList<A>>() + j * mem::size_of::<PhysAddr>();
24640fe15e0SLoGin         return entry_addr;
24740fe15e0SLoGin     }
24840fe15e0SLoGin     pub fn read_page<T>(addr: PhysAddr) -> T {
24940fe15e0SLoGin         let page_list = unsafe { A::read(A::phys_2_virt(addr).unwrap()) };
25040fe15e0SLoGin         return page_list;
25140fe15e0SLoGin     }
25240fe15e0SLoGin 
25340fe15e0SLoGin     pub fn write_page(curr_page: PhysAddr, page_list: PageList<A>) {
25440fe15e0SLoGin         // 把物理地址转换为虚拟地址
25540fe15e0SLoGin         let virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(curr_page) };
25640fe15e0SLoGin         let virt_addr = virt_addr.unwrap();
25740fe15e0SLoGin         unsafe { A::write(virt_addr, page_list) };
25840fe15e0SLoGin     }
25940fe15e0SLoGin 
26040fe15e0SLoGin     /// 从order转换为free_area的下标
26140fe15e0SLoGin     ///
26240fe15e0SLoGin     /// # 参数
26340fe15e0SLoGin     ///
26440fe15e0SLoGin     /// - `order` - order
26540fe15e0SLoGin     ///
26640fe15e0SLoGin     /// # 返回值
26740fe15e0SLoGin     ///
26840fe15e0SLoGin     /// free_area的下标
26940fe15e0SLoGin     #[inline]
27040fe15e0SLoGin     fn order2index(order: u8) -> usize {
27140fe15e0SLoGin         (order as usize - MIN_ORDER) as usize
27240fe15e0SLoGin     }
27340fe15e0SLoGin 
27440fe15e0SLoGin     /// 从空闲链表的开头,取出1个指定阶数的伙伴块,如果没有,则返回None
27540fe15e0SLoGin     ///
27640fe15e0SLoGin     /// ## 参数
27740fe15e0SLoGin     ///
27840fe15e0SLoGin     /// - `order` - 伙伴块的阶数
27940fe15e0SLoGin     fn pop_front(&mut self, order: u8) -> Option<PhysAddr> {
28040fe15e0SLoGin         let mut alloc_in_specific_order = |spec_order: u8| {
28140fe15e0SLoGin             // 先尝试在order阶的“空闲链表”的开头位置分配一个伙伴块
28240fe15e0SLoGin             let mut page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)];
28340fe15e0SLoGin             let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_addr);
28440fe15e0SLoGin 
28540fe15e0SLoGin             // 循环删除头部的空闲链表页
28640fe15e0SLoGin             while page_list.entry_num == 0 {
28740fe15e0SLoGin                 let next_page_list_addr = page_list.next_page;
28840fe15e0SLoGin                 // 找完了,都是空的
28940fe15e0SLoGin                 if next_page_list_addr.is_null() {
29040fe15e0SLoGin                     return None;
29140fe15e0SLoGin                 }
29240fe15e0SLoGin 
29340fe15e0SLoGin                 if !next_page_list_addr.is_null() {
29440fe15e0SLoGin                     // 此时page_list已经没有空闲伙伴块了,又因为非唯一页,需要删除该page_list
29540fe15e0SLoGin                     self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = next_page_list_addr;
29640fe15e0SLoGin                     drop(page_list);
29740fe15e0SLoGin                     // kdebug!("FREE: page_list_addr={:b}", page_list_addr.data());
29840fe15e0SLoGin                     unsafe {
29940fe15e0SLoGin                         self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8);
30040fe15e0SLoGin                     }
30140fe15e0SLoGin                 }
30240fe15e0SLoGin                 // 由于buddy_free可能导致首部的链表页发生变化,因此需要重新读取
30340fe15e0SLoGin                 let next_page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)];
30440fe15e0SLoGin                 assert!(!next_page_list_addr.is_null());
30540fe15e0SLoGin                 page_list = Self::read_page(next_page_list_addr);
30640fe15e0SLoGin                 page_list_addr = next_page_list_addr;
30740fe15e0SLoGin             }
30840fe15e0SLoGin 
30940fe15e0SLoGin             // 有空闲页面,直接分配
31040fe15e0SLoGin             if page_list.entry_num > 0 {
31140fe15e0SLoGin                 let entry: PhysAddr = unsafe {
31240fe15e0SLoGin                     A::read(Self::entry_virt_addr(
31340fe15e0SLoGin                         page_list_addr,
31440fe15e0SLoGin                         page_list.entry_num - 1,
31540fe15e0SLoGin                     ))
31640fe15e0SLoGin                 };
317*26887c63SLoGin                 // 清除该entry
318*26887c63SLoGin                 unsafe {
319*26887c63SLoGin                     A::write(
320*26887c63SLoGin                         Self::entry_virt_addr(page_list_addr, page_list.entry_num - 1),
321*26887c63SLoGin                         PhysAddr::new(0),
322*26887c63SLoGin                     )
323*26887c63SLoGin                 };
32440fe15e0SLoGin                 if entry.is_null() {
325*26887c63SLoGin                     panic!(
32640fe15e0SLoGin                         "entry is null, entry={:?}, order={}, entry_num = {}",
32740fe15e0SLoGin                         entry,
32840fe15e0SLoGin                         spec_order,
32940fe15e0SLoGin                         page_list.entry_num - 1
33040fe15e0SLoGin                     );
33140fe15e0SLoGin                 }
33240fe15e0SLoGin                 // kdebug!("entry={entry:?}");
333*26887c63SLoGin 
33440fe15e0SLoGin                 // 更新page_list的entry_num
33540fe15e0SLoGin                 page_list.entry_num -= 1;
33640fe15e0SLoGin                 let tmp_current_entry_num = page_list.entry_num;
33740fe15e0SLoGin                 if page_list.entry_num == 0 {
33840fe15e0SLoGin                     if !page_list.next_page.is_null() {
33940fe15e0SLoGin                         // 此时page_list已经没有空闲伙伴块了,又因为非唯一页,需要删除该page_list
34040fe15e0SLoGin                         self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = page_list.next_page;
34140fe15e0SLoGin                         drop(page_list);
34240fe15e0SLoGin                         unsafe { self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8) };
34340fe15e0SLoGin                     } else {
34440fe15e0SLoGin                         Self::write_page(page_list_addr, page_list);
34540fe15e0SLoGin                     }
34640fe15e0SLoGin                 } else {
34740fe15e0SLoGin                     // 若entry_num不为0,说明该page_list还有空闲伙伴块,需要更新该page_list
34840fe15e0SLoGin                     // 把更新后的page_list写回
34940fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_addr, page_list.clone());
35040fe15e0SLoGin                 }
35140fe15e0SLoGin 
35240fe15e0SLoGin                 // 检测entry 是否对齐
35340fe15e0SLoGin                 if !entry.check_aligned(1 << spec_order) {
35440fe15e0SLoGin                     panic!("entry={:?} is not aligned, spec_order={spec_order}, page_list.entry_num={}", entry, tmp_current_entry_num);
35540fe15e0SLoGin                 }
35640fe15e0SLoGin                 return Some(entry);
35740fe15e0SLoGin             }
35840fe15e0SLoGin             return None;
35940fe15e0SLoGin         };
36040fe15e0SLoGin 
36140fe15e0SLoGin         let result: Option<PhysAddr> = alloc_in_specific_order(order as u8);
36240fe15e0SLoGin         // kdebug!("result={:?}", result);
36340fe15e0SLoGin         if result.is_some() {
36440fe15e0SLoGin             return result;
36540fe15e0SLoGin         }
36640fe15e0SLoGin         // 尝试从更大的链表中分裂
36740fe15e0SLoGin 
36840fe15e0SLoGin         let mut current_order = (order + 1) as usize;
36940fe15e0SLoGin         let mut x: Option<PhysAddr> = None;
37040fe15e0SLoGin         while current_order < MAX_ORDER {
37140fe15e0SLoGin             x = alloc_in_specific_order(current_order as u8);
37240fe15e0SLoGin             // kdebug!("current_order={:?}", current_order);
37340fe15e0SLoGin             if x.is_some() {
37440fe15e0SLoGin                 break;
37540fe15e0SLoGin             }
37640fe15e0SLoGin             current_order += 1;
37740fe15e0SLoGin         }
37840fe15e0SLoGin 
37940fe15e0SLoGin         // kdebug!("x={:?}", x);
38040fe15e0SLoGin         // 如果找到一个大的块,就进行分裂
38140fe15e0SLoGin         if x.is_some() {
38240fe15e0SLoGin             // 分裂到order阶
38340fe15e0SLoGin             while current_order > order as usize {
38440fe15e0SLoGin                 current_order -= 1;
38540fe15e0SLoGin                 // 把后面那半块放回空闲链表
38640fe15e0SLoGin 
38740fe15e0SLoGin                 let buddy = *x.as_ref().unwrap() + (1 << current_order);
38840fe15e0SLoGin                 // kdebug!("x={:?}, buddy={:?}", x, buddy);
38940fe15e0SLoGin                 // kdebug!("current_order={:?}, buddy={:?}", current_order, buddy);
39040fe15e0SLoGin                 unsafe { self.buddy_free(buddy, current_order as u8) };
39140fe15e0SLoGin             }
39240fe15e0SLoGin             return x;
39340fe15e0SLoGin         }
39440fe15e0SLoGin 
39540fe15e0SLoGin         return None;
39640fe15e0SLoGin     }
39740fe15e0SLoGin 
39840fe15e0SLoGin     /// 从伙伴系统中分配count个页面
39940fe15e0SLoGin     ///
40040fe15e0SLoGin     /// ## 参数
40140fe15e0SLoGin     ///
40240fe15e0SLoGin     /// - `count`:需要分配的页面数
40340fe15e0SLoGin     ///
40440fe15e0SLoGin     /// ## 返回值
40540fe15e0SLoGin     ///
40640fe15e0SLoGin     /// 返回分配的页面的物理地址和页面数
40740fe15e0SLoGin     fn buddy_alloc(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> {
40840fe15e0SLoGin         assert!(count.data().is_power_of_two());
40940fe15e0SLoGin         // 计算需要分配的阶数
41040fe15e0SLoGin         let mut order = log2(count.data() as usize);
41140fe15e0SLoGin         if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 {
41240fe15e0SLoGin             order += 1;
41340fe15e0SLoGin         }
41440fe15e0SLoGin         let order = (order + MIN_ORDER) as u8;
41540fe15e0SLoGin         if order as usize >= MAX_ORDER {
41640fe15e0SLoGin             return None;
41740fe15e0SLoGin         }
41840fe15e0SLoGin 
41940fe15e0SLoGin         // kdebug!("buddy_alloc: order = {}", order);
42040fe15e0SLoGin         // 获取该阶数的一个空闲页面
42140fe15e0SLoGin         let free_addr = self.pop_front(order);
42240fe15e0SLoGin         // kdebug!(
42340fe15e0SLoGin         //     "buddy_alloc: order = {}, free_addr = {:?}",
42440fe15e0SLoGin         //     order,
42540fe15e0SLoGin         //     free_addr
42640fe15e0SLoGin         // );
42740fe15e0SLoGin         return free_addr
42840fe15e0SLoGin             .map(|addr| (addr, PageFrameCount::new(1 << (order as usize - MIN_ORDER))));
42940fe15e0SLoGin     }
43040fe15e0SLoGin 
43140fe15e0SLoGin     /// 释放一个块
43240fe15e0SLoGin     ///
43340fe15e0SLoGin     /// ## 参数
43440fe15e0SLoGin     ///
43540fe15e0SLoGin     /// - `base` - 块的起始地址
43640fe15e0SLoGin     /// - `order` - 块的阶数
43740fe15e0SLoGin     unsafe fn buddy_free(&mut self, mut base: PhysAddr, order: u8) {
43840fe15e0SLoGin         // kdebug!("buddy_free: base = {:?}, order = {}", base, order);
43940fe15e0SLoGin         let mut order = order as usize;
44040fe15e0SLoGin 
44140fe15e0SLoGin         while order < MAX_ORDER {
44240fe15e0SLoGin             // 检测地址是否合法
44340fe15e0SLoGin             if base.data() & ((1 << (order)) - 1) != 0 {
44440fe15e0SLoGin                 panic!(
44540fe15e0SLoGin                     "buddy_free: base is not aligned, base = {:#x}, order = {}",
44640fe15e0SLoGin                     base.data(),
44740fe15e0SLoGin                     order
44840fe15e0SLoGin                 );
44940fe15e0SLoGin             }
45040fe15e0SLoGin 
45140fe15e0SLoGin             // 在链表中寻找伙伴块
45240fe15e0SLoGin             // 伙伴块的地址是base ^ (1 << order)
45340fe15e0SLoGin             let buddy_addr = PhysAddr::new(base.data() ^ (1 << order));
45440fe15e0SLoGin 
45540fe15e0SLoGin             let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)];
45640fe15e0SLoGin             let mut page_list_paddr = first_page_list_paddr;
45740fe15e0SLoGin             let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr);
45840fe15e0SLoGin             let first_page_list = page_list.clone();
45940fe15e0SLoGin 
46040fe15e0SLoGin             let mut buddy_entry_virt_vaddr = None;
46140fe15e0SLoGin             let mut buddy_entry_page_list_paddr = None;
46240fe15e0SLoGin             // 除非order是最大的,否则尝试查找伙伴块
46340fe15e0SLoGin             if likely(order != MAX_ORDER - 1) {
46440fe15e0SLoGin                 'outer: loop {
46540fe15e0SLoGin                     for i in 0..page_list.entry_num {
46640fe15e0SLoGin                         let entry_virt_addr = Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, i);
46740fe15e0SLoGin                         let entry: PhysAddr = unsafe { A::read(entry_virt_addr) };
46840fe15e0SLoGin                         if entry == buddy_addr {
46940fe15e0SLoGin                             // 找到了伙伴块,记录该entry相关信息,然后退出查找
47040fe15e0SLoGin                             buddy_entry_virt_vaddr = Some(entry_virt_addr);
47140fe15e0SLoGin                             buddy_entry_page_list_paddr = Some(page_list_paddr);
47240fe15e0SLoGin                             break 'outer;
47340fe15e0SLoGin                         }
47440fe15e0SLoGin                     }
47540fe15e0SLoGin                     if page_list.next_page.is_null() {
47640fe15e0SLoGin                         break;
47740fe15e0SLoGin                     }
47840fe15e0SLoGin                     page_list_paddr = page_list.next_page;
47940fe15e0SLoGin                     page_list = Self::read_page(page_list_paddr);
48040fe15e0SLoGin                 }
48140fe15e0SLoGin             }
48240fe15e0SLoGin 
48340fe15e0SLoGin             // 如果没有找到伙伴块
48440fe15e0SLoGin             if buddy_entry_virt_vaddr.is_none() {
48540fe15e0SLoGin                 assert!(
48640fe15e0SLoGin                     page_list.entry_num <= Self::BUDDY_ENTRIES,
48740fe15e0SLoGin                     "buddy_free: page_list.entry_num > Self::BUDDY_ENTRIES"
48840fe15e0SLoGin                 );
48940fe15e0SLoGin 
49040fe15e0SLoGin                 // 当前第一个page_list没有空间了
49140fe15e0SLoGin                 if first_page_list.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES {
49240fe15e0SLoGin                     // 如果当前order是最小的,那么就把这个块当作新的page_list使用
49340fe15e0SLoGin                     let new_page_list_addr = if order == MIN_ORDER {
49440fe15e0SLoGin                         base
49540fe15e0SLoGin                     } else {
49640fe15e0SLoGin                         // 否则分配新的page_list
49740fe15e0SLoGin                         // 请注意,分配之后,有可能当前的entry_num会减1(伙伴块分裂),造成出现整个链表为null的entry数量为Self::BUDDY_ENTRIES+1的情况
49840fe15e0SLoGin                         // 但是不影响,我们在后面插入链表项的时候,会处理这种情况,检查链表中的第2个页是否有空位
49940fe15e0SLoGin                         self.buddy_alloc(PageFrameCount::new(1))
50040fe15e0SLoGin                             .expect("buddy_alloc failed: no enough memory")
50140fe15e0SLoGin                             .0
50240fe15e0SLoGin                     };
50340fe15e0SLoGin 
50440fe15e0SLoGin                     // 清空这个页面
50540fe15e0SLoGin                     core::ptr::write_bytes(
50640fe15e0SLoGin                         A::phys_2_virt(new_page_list_addr)
50740fe15e0SLoGin                             .expect(
50840fe15e0SLoGin                                 "Buddy free: failed to get virt address of [new_page_list_addr]",
50940fe15e0SLoGin                             )
51040fe15e0SLoGin                             .as_ptr::<u8>(),
51140fe15e0SLoGin                         0,
51240fe15e0SLoGin                         1 << order,
51340fe15e0SLoGin                     );
51440fe15e0SLoGin                     assert!(
51540fe15e0SLoGin                         first_page_list_paddr == self.free_area[Self::order2index(order as u8)]
51640fe15e0SLoGin                     );
51740fe15e0SLoGin                     // 初始化新的page_list
51840fe15e0SLoGin                     let new_page_list = PageList::new(0, first_page_list_paddr);
51940fe15e0SLoGin                     Self::write_page(new_page_list_addr, new_page_list);
52040fe15e0SLoGin                     self.free_area[Self::order2index(order as u8)] = new_page_list_addr;
52140fe15e0SLoGin                 }
52240fe15e0SLoGin 
52340fe15e0SLoGin                 // 由于上面可能更新了第一个链表页,因此需要重新获取这个值
52440fe15e0SLoGin                 let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)];
52540fe15e0SLoGin                 let first_page_list: PageList<A> = Self::read_page(first_page_list_paddr);
52640fe15e0SLoGin 
52740fe15e0SLoGin                 // 检查第二个page_list是否有空位
52840fe15e0SLoGin                 let second_page_list = if first_page_list.next_page.is_null() {
52940fe15e0SLoGin                     None
53040fe15e0SLoGin                 } else {
53140fe15e0SLoGin                     Some(Self::read_page::<PageList<A>>(first_page_list.next_page))
53240fe15e0SLoGin                 };
53340fe15e0SLoGin 
53440fe15e0SLoGin                 let (paddr, mut page_list) = if let Some(second) = second_page_list {
53540fe15e0SLoGin                     // 第二个page_list有空位
53640fe15e0SLoGin                     // 应当符合之前的假设:还有1个空位
53740fe15e0SLoGin                     assert!(second.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES - 1);
53840fe15e0SLoGin 
53940fe15e0SLoGin                     (first_page_list.next_page, second)
54040fe15e0SLoGin                 } else {
54140fe15e0SLoGin                     // 在第一个page list中分配
54240fe15e0SLoGin                     (first_page_list_paddr, first_page_list)
54340fe15e0SLoGin                 };
54440fe15e0SLoGin 
54540fe15e0SLoGin                 // kdebug!("to write entry, page_list_base={paddr:?}, page_list.entry_num={}, value={base:?}", page_list.entry_num);
54640fe15e0SLoGin                 assert!(page_list.entry_num < Self::BUDDY_ENTRIES);
54740fe15e0SLoGin                 // 把要归还的块,写入到链表项中
54840fe15e0SLoGin                 unsafe { A::write(Self::entry_virt_addr(paddr, page_list.entry_num), base) }
54940fe15e0SLoGin                 page_list.entry_num += 1;
55040fe15e0SLoGin                 Self::write_page(paddr, page_list);
55140fe15e0SLoGin                 return;
55240fe15e0SLoGin             } else {
55340fe15e0SLoGin                 // 如果找到了伙伴块,合并,向上递归
55440fe15e0SLoGin 
55540fe15e0SLoGin                 // 伙伴块所在的表项的虚拟地址
55640fe15e0SLoGin                 let buddy_entry_virt_addr = buddy_entry_virt_vaddr.unwrap();
55740fe15e0SLoGin                 // 伙伴块所在的page_list的物理地址
55840fe15e0SLoGin                 let buddy_entry_page_list_paddr = buddy_entry_page_list_paddr.unwrap();
55940fe15e0SLoGin 
56040fe15e0SLoGin                 let mut page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)];
56140fe15e0SLoGin                 let mut page_list = Self::read_page::<PageList<A>>(page_list_paddr);
56240fe15e0SLoGin                 // 找第一个有空闲块的链表页。跳过空闲链表页。不进行回收的原因是担心出现死循环
56340fe15e0SLoGin                 while page_list.entry_num == 0 {
56440fe15e0SLoGin                     if page_list.next_page.is_null() {
56540fe15e0SLoGin                         panic!(
56640fe15e0SLoGin                             "buddy_free: page_list.entry_num == 0 && page_list.next_page.is_null()"
56740fe15e0SLoGin                         );
56840fe15e0SLoGin                     }
56940fe15e0SLoGin                     page_list_paddr = page_list.next_page;
57040fe15e0SLoGin                     page_list = Self::read_page(page_list_paddr);
57140fe15e0SLoGin                 }
57240fe15e0SLoGin 
57340fe15e0SLoGin                 // 如果伙伴块不在第一个链表页,则把第一个链表中的某个空闲块替换到伙伴块的位置
57440fe15e0SLoGin                 if page_list_paddr != buddy_entry_page_list_paddr {
57540fe15e0SLoGin                     let entry: PhysAddr = unsafe {
57640fe15e0SLoGin                         A::read(Self::entry_virt_addr(
57740fe15e0SLoGin                             page_list_paddr,
57840fe15e0SLoGin                             page_list.entry_num - 1,
57940fe15e0SLoGin                         ))
58040fe15e0SLoGin                     };
58140fe15e0SLoGin                     // 把这个空闲块写入到伙伴块的位置
58240fe15e0SLoGin                     unsafe {
58340fe15e0SLoGin                         A::write(buddy_entry_virt_addr, entry);
58440fe15e0SLoGin                     }
58540fe15e0SLoGin                     // 设置刚才那个entry为空
58640fe15e0SLoGin                     unsafe {
58740fe15e0SLoGin                         A::write(
58840fe15e0SLoGin                             Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1),
58940fe15e0SLoGin                             PhysAddr::new(0),
59040fe15e0SLoGin                         );
59140fe15e0SLoGin                     }
59240fe15e0SLoGin                     // 更新当前链表页的统计数据
59340fe15e0SLoGin                     page_list.entry_num -= 1;
59440fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_paddr, page_list);
59540fe15e0SLoGin                 } else {
59640fe15e0SLoGin                     // 伙伴块所在的链表页就是第一个链表页
59740fe15e0SLoGin                     let last_entry: PhysAddr = unsafe {
59840fe15e0SLoGin                         A::read(Self::entry_virt_addr(
59940fe15e0SLoGin                             page_list_paddr,
60040fe15e0SLoGin                             page_list.entry_num - 1,
60140fe15e0SLoGin                         ))
60240fe15e0SLoGin                     };
60340fe15e0SLoGin 
60440fe15e0SLoGin                     // 如果最后一个空闲块不是伙伴块,则把最后一个空闲块移动到伙伴块的位置
60540fe15e0SLoGin                     // 否则后面的操作也将删除这个伙伴块
60640fe15e0SLoGin                     if last_entry != buddy_addr {
60740fe15e0SLoGin                         unsafe {
60840fe15e0SLoGin                             A::write(buddy_entry_virt_addr, last_entry);
60940fe15e0SLoGin                             A::write(
61040fe15e0SLoGin                                 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1),
61140fe15e0SLoGin                                 PhysAddr::new(0),
61240fe15e0SLoGin                             );
61340fe15e0SLoGin                         }
61440fe15e0SLoGin                     } else {
61540fe15e0SLoGin                         unsafe {
61640fe15e0SLoGin                             A::write(
61740fe15e0SLoGin                                 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1),
61840fe15e0SLoGin                                 PhysAddr::new(0),
61940fe15e0SLoGin                             );
62040fe15e0SLoGin                         }
62140fe15e0SLoGin                     }
62240fe15e0SLoGin                     // 更新当前链表页的统计数据
62340fe15e0SLoGin                     page_list.entry_num -= 1;
62440fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_paddr, page_list);
62540fe15e0SLoGin                 }
62640fe15e0SLoGin             }
62740fe15e0SLoGin             base = min(base, buddy_addr);
62840fe15e0SLoGin             order += 1;
62940fe15e0SLoGin         }
63040fe15e0SLoGin         // 走到这一步,order应该为MAX_ORDER-1
63140fe15e0SLoGin         assert!(order == MAX_ORDER - 1);
63240fe15e0SLoGin     }
63340fe15e0SLoGin }
63440fe15e0SLoGin 
63540fe15e0SLoGin impl<A: MemoryManagementArch> FrameAllocator for BuddyAllocator<A> {
63640fe15e0SLoGin     unsafe fn allocate(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> {
63740fe15e0SLoGin         return self.buddy_alloc(count);
63840fe15e0SLoGin     }
63940fe15e0SLoGin 
64040fe15e0SLoGin     /// 释放一个块
64140fe15e0SLoGin     ///
64240fe15e0SLoGin     /// ## 参数
64340fe15e0SLoGin     ///
64440fe15e0SLoGin     /// - `base` - 块的起始地址
64540fe15e0SLoGin     /// - `count` - 块的页数(必须是2的幂)
64640fe15e0SLoGin     ///
64740fe15e0SLoGin     /// ## Panic
64840fe15e0SLoGin     ///
64940fe15e0SLoGin     /// 如果count不是2的幂,会panic
65040fe15e0SLoGin     unsafe fn free(&mut self, base: PhysAddr, count: PageFrameCount) {
65140fe15e0SLoGin         // 要求count是2的幂
65240fe15e0SLoGin         if unlikely(!count.data().is_power_of_two()) {
65340fe15e0SLoGin             kwarn!("buddy free: count is not power of two");
65440fe15e0SLoGin         }
65540fe15e0SLoGin         let mut order = log2(count.data() as usize);
65640fe15e0SLoGin         if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 {
65740fe15e0SLoGin             order += 1;
65840fe15e0SLoGin         }
65940fe15e0SLoGin         let order = (order + MIN_ORDER) as u8;
66040fe15e0SLoGin         // kdebug!("free: base={:?}, count={:?}", base, count);
66140fe15e0SLoGin         self.buddy_free(base, order);
66240fe15e0SLoGin     }
66340fe15e0SLoGin 
66440fe15e0SLoGin     unsafe fn usage(&self) -> PageFrameUsage {
66540fe15e0SLoGin         todo!("BuddyAllocator::usage")
66640fe15e0SLoGin     }
66740fe15e0SLoGin }
66840fe15e0SLoGin 
66940fe15e0SLoGin /// 一个用于计算整数的对数的函数,会向下取整。(由于内核不能进行浮点运算,因此需要这个函数)
67040fe15e0SLoGin fn log2(x: usize) -> usize {
67140fe15e0SLoGin     let leading_zeros = x.leading_zeros() as usize;
67240fe15e0SLoGin     let log2x = 63 - leading_zeros;
67340fe15e0SLoGin     return log2x;
67440fe15e0SLoGin }
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