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}; 999dbf38dSLoGin use crate::mm::{MemoryManagementArch, PhysAddr, PhysMemoryArea, VirtAddr}; 1026887c63SLoGin use crate::{kdebug, kwarn}; 1199dbf38dSLoGin use core::cmp::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], 6834e6d6c8Syuyi2439 /// 总页数 6934e6d6c8Syuyi2439 total: PageFrameCount, 7040fe15e0SLoGin phantom: PhantomData<A>, 7140fe15e0SLoGin } 7240fe15e0SLoGin 7340fe15e0SLoGin impl<A: MemoryManagementArch> BuddyAllocator<A> { 7440fe15e0SLoGin const BUDDY_ENTRIES: usize = 7540fe15e0SLoGin // 定义一个变量记录buddy表的大小 7640fe15e0SLoGin (A::PAGE_SIZE - mem::size_of::<PageList<A>>()) / mem::size_of::<PhysAddr>(); 7740fe15e0SLoGin 7840fe15e0SLoGin pub unsafe fn new(mut bump_allocator: BumpAllocator<A>) -> Option<Self> { 7940fe15e0SLoGin let initial_free_pages = bump_allocator.usage().free(); 8099dbf38dSLoGin let total_memory = bump_allocator.usage().total(); 8140fe15e0SLoGin kdebug!("Free pages before init buddy: {:?}", initial_free_pages); 8240fe15e0SLoGin kdebug!("Buddy entries: {}", Self::BUDDY_ENTRIES); 8340fe15e0SLoGin 8440fe15e0SLoGin let mut free_area: [PhysAddr; (MAX_ORDER - MIN_ORDER) as usize] = 8540fe15e0SLoGin [PhysAddr::new(0); (MAX_ORDER - MIN_ORDER) as usize]; 8640fe15e0SLoGin 8740fe15e0SLoGin // Buddy初始占用的空间从bump分配 8840fe15e0SLoGin for f in free_area.iter_mut() { 8940fe15e0SLoGin let curr_page = bump_allocator.allocate_one(); 9040fe15e0SLoGin // 保存每个阶的空闲链表的头部地址 9140fe15e0SLoGin *f = curr_page.unwrap(); 9240fe15e0SLoGin // 清空当前页 9340fe15e0SLoGin core::ptr::write_bytes(MMArch::phys_2_virt(*f)?.data() as *mut u8, 0, A::PAGE_SIZE); 9440fe15e0SLoGin 9540fe15e0SLoGin let page_list: PageList<A> = PageList::new(0, PhysAddr::new(0)); 9640fe15e0SLoGin Self::write_page(*f, page_list); 9740fe15e0SLoGin } 9840fe15e0SLoGin 9999dbf38dSLoGin let mut allocator = Self { 10099dbf38dSLoGin free_area, 10199dbf38dSLoGin total: PageFrameCount::new(0), 10299dbf38dSLoGin phantom: PhantomData, 10399dbf38dSLoGin }; 10440fe15e0SLoGin 10599dbf38dSLoGin let mut total_pages_to_buddy = PageFrameCount::new(0); 10699dbf38dSLoGin let mut res_areas = [PhysMemoryArea::default(); 128]; 10799dbf38dSLoGin let mut offset_in_remain_area = bump_allocator 10899dbf38dSLoGin .remain_areas(&mut res_areas) 10999dbf38dSLoGin .expect("BuddyAllocator: failed to get remain areas from bump allocator"); 11099dbf38dSLoGin 11199dbf38dSLoGin let remain_areas = &res_areas[0..]; 11299dbf38dSLoGin 11399dbf38dSLoGin for area in remain_areas { 11499dbf38dSLoGin let mut paddr = (area.area_base_aligned() + offset_in_remain_area).data(); 11599dbf38dSLoGin let mut remain_pages = 11699dbf38dSLoGin PageFrameCount::from_bytes(area.area_end_aligned().data() - paddr).unwrap(); 117*453452ccSLoGin 118*453452ccSLoGin if remain_pages.data() == 0 { 119*453452ccSLoGin continue; 120*453452ccSLoGin } 121*453452ccSLoGin kdebug!("area: {area:?}, paddr: {paddr:#x}, remain_pages: {remain_pages:?}"); 122*453452ccSLoGin 12399dbf38dSLoGin total_pages_to_buddy += remain_pages; 12499dbf38dSLoGin 12599dbf38dSLoGin if offset_in_remain_area != 0 { 12699dbf38dSLoGin offset_in_remain_area = 0; 12740fe15e0SLoGin } 12840fe15e0SLoGin 12999dbf38dSLoGin // 先从低阶开始,尽可能地填满空闲链表 13040fe15e0SLoGin for i in MIN_ORDER..MAX_ORDER { 13140fe15e0SLoGin // kdebug!("i {i}, remain pages={}", remain_pages.data()); 13240fe15e0SLoGin if remain_pages.data() < (1 << (i - MIN_ORDER)) { 13340fe15e0SLoGin break; 13440fe15e0SLoGin } 13540fe15e0SLoGin 13640fe15e0SLoGin assert!(paddr & ((1 << i) - 1) == 0); 13740fe15e0SLoGin 13840fe15e0SLoGin if likely(i != MAX_ORDER - 1) { 13940fe15e0SLoGin // 要填写entry 14040fe15e0SLoGin if paddr & (1 << i) != 0 { 14199dbf38dSLoGin allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8); 14240fe15e0SLoGin 14340fe15e0SLoGin paddr += 1 << i; 14440fe15e0SLoGin remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER); 14540fe15e0SLoGin }; 14640fe15e0SLoGin } else { 14740fe15e0SLoGin // 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) 14840fe15e0SLoGin // 断言剩余页面数量是MAX_ORDER-1阶的整数倍 14940fe15e0SLoGin 15040fe15e0SLoGin let mut entries = (remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE) >> i; 15140fe15e0SLoGin while entries > 0 { 15299dbf38dSLoGin allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8); 15399dbf38dSLoGin paddr += 1 << i; 15440fe15e0SLoGin remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER); 15599dbf38dSLoGin 15640fe15e0SLoGin entries -= 1; 15740fe15e0SLoGin } 15840fe15e0SLoGin } 15940fe15e0SLoGin } 16040fe15e0SLoGin 16199dbf38dSLoGin // 然后从高往低,把剩余的页面加入链表 16240fe15e0SLoGin let mut remain_bytes = remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE; 16340fe15e0SLoGin 16440fe15e0SLoGin assert!(remain_bytes < (1 << MAX_ORDER - 1)); 16540fe15e0SLoGin 16640fe15e0SLoGin for i in (MIN_ORDER..MAX_ORDER).rev() { 16726887c63SLoGin if remain_bytes >= (1 << i) { 16826887c63SLoGin assert!(paddr & ((1 << i) - 1) == 0); 16999dbf38dSLoGin allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8); 17040fe15e0SLoGin 17140fe15e0SLoGin paddr += 1 << i; 17240fe15e0SLoGin remain_bytes -= 1 << i; 17340fe15e0SLoGin } 17440fe15e0SLoGin } 17540fe15e0SLoGin 17640fe15e0SLoGin assert!(remain_bytes == 0); 17799dbf38dSLoGin } 17840fe15e0SLoGin 17999dbf38dSLoGin kdebug!("Total pages to buddy: {:?}", total_pages_to_buddy); 18099dbf38dSLoGin allocator.total = total_memory; 18140fe15e0SLoGin 18240fe15e0SLoGin Some(allocator) 18340fe15e0SLoGin } 18440fe15e0SLoGin /// 获取第j个entry的虚拟地址, 18540fe15e0SLoGin /// j从0开始计数 18640fe15e0SLoGin pub fn entry_virt_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> VirtAddr { 18740fe15e0SLoGin let entry_virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(Self::entry_addr(base_addr, j)) }; 18840fe15e0SLoGin return entry_virt_addr.unwrap(); 18940fe15e0SLoGin } 19040fe15e0SLoGin pub fn entry_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> PhysAddr { 19140fe15e0SLoGin let entry_addr = base_addr + mem::size_of::<PageList<A>>() + j * mem::size_of::<PhysAddr>(); 19240fe15e0SLoGin return entry_addr; 19340fe15e0SLoGin } 19440fe15e0SLoGin pub fn read_page<T>(addr: PhysAddr) -> T { 19540fe15e0SLoGin let page_list = unsafe { A::read(A::phys_2_virt(addr).unwrap()) }; 19640fe15e0SLoGin return page_list; 19740fe15e0SLoGin } 19840fe15e0SLoGin 19940fe15e0SLoGin pub fn write_page(curr_page: PhysAddr, page_list: PageList<A>) { 20040fe15e0SLoGin // 把物理地址转换为虚拟地址 20140fe15e0SLoGin let virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(curr_page) }; 20240fe15e0SLoGin let virt_addr = virt_addr.unwrap(); 20340fe15e0SLoGin unsafe { A::write(virt_addr, page_list) }; 20440fe15e0SLoGin } 20540fe15e0SLoGin 20640fe15e0SLoGin /// 从order转换为free_area的下标 20740fe15e0SLoGin /// 20840fe15e0SLoGin /// # 参数 20940fe15e0SLoGin /// 21040fe15e0SLoGin /// - `order` - order 21140fe15e0SLoGin /// 21240fe15e0SLoGin /// # 返回值 21340fe15e0SLoGin /// 21440fe15e0SLoGin /// free_area的下标 21540fe15e0SLoGin #[inline] 21640fe15e0SLoGin fn order2index(order: u8) -> usize { 21740fe15e0SLoGin (order as usize - MIN_ORDER) as usize 21840fe15e0SLoGin } 21940fe15e0SLoGin 22040fe15e0SLoGin /// 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 22140fe15e0SLoGin /// 22240fe15e0SLoGin /// ## 参数 22340fe15e0SLoGin /// 22440fe15e0SLoGin /// - `order` - 伙伴块的阶数 22540fe15e0SLoGin fn pop_front(&mut self, order: u8) -> Option<PhysAddr> { 22640fe15e0SLoGin let mut alloc_in_specific_order = |spec_order: u8| { 22740fe15e0SLoGin // 先尝试在order阶的“空闲链表”的开头位置分配一个伙伴块 22840fe15e0SLoGin let mut page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)]; 22940fe15e0SLoGin let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_addr); 23040fe15e0SLoGin 23140fe15e0SLoGin // 循环删除头部的空闲链表页 23240fe15e0SLoGin while page_list.entry_num == 0 { 23340fe15e0SLoGin let next_page_list_addr = page_list.next_page; 23440fe15e0SLoGin // 找完了,都是空的 23540fe15e0SLoGin if next_page_list_addr.is_null() { 23640fe15e0SLoGin return None; 23740fe15e0SLoGin } 23840fe15e0SLoGin 23940fe15e0SLoGin if !next_page_list_addr.is_null() { 24040fe15e0SLoGin // 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 24140fe15e0SLoGin self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = next_page_list_addr; 24240fe15e0SLoGin drop(page_list); 24340fe15e0SLoGin // kdebug!("FREE: page_list_addr={:b}", page_list_addr.data()); 24440fe15e0SLoGin unsafe { 24540fe15e0SLoGin self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8); 24640fe15e0SLoGin } 24740fe15e0SLoGin } 24840fe15e0SLoGin // 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 24940fe15e0SLoGin let next_page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)]; 25040fe15e0SLoGin assert!(!next_page_list_addr.is_null()); 25140fe15e0SLoGin page_list = Self::read_page(next_page_list_addr); 25240fe15e0SLoGin page_list_addr = next_page_list_addr; 25340fe15e0SLoGin } 25440fe15e0SLoGin 25540fe15e0SLoGin // 有空闲页面,直接分配 25640fe15e0SLoGin if page_list.entry_num > 0 { 25740fe15e0SLoGin let entry: PhysAddr = unsafe { 25840fe15e0SLoGin A::read(Self::entry_virt_addr( 25940fe15e0SLoGin page_list_addr, 26040fe15e0SLoGin page_list.entry_num - 1, 26140fe15e0SLoGin )) 26240fe15e0SLoGin }; 26326887c63SLoGin // 清除该entry 26426887c63SLoGin unsafe { 26526887c63SLoGin A::write( 26626887c63SLoGin Self::entry_virt_addr(page_list_addr, page_list.entry_num - 1), 26726887c63SLoGin PhysAddr::new(0), 26826887c63SLoGin ) 26926887c63SLoGin }; 27040fe15e0SLoGin if entry.is_null() { 27126887c63SLoGin panic!( 27240fe15e0SLoGin "entry is null, entry={:?}, order={}, entry_num = {}", 27340fe15e0SLoGin entry, 27440fe15e0SLoGin spec_order, 27540fe15e0SLoGin page_list.entry_num - 1 27640fe15e0SLoGin ); 27740fe15e0SLoGin } 27840fe15e0SLoGin // kdebug!("entry={entry:?}"); 27926887c63SLoGin 28040fe15e0SLoGin // 更新page_list的entry_num 28140fe15e0SLoGin page_list.entry_num -= 1; 28240fe15e0SLoGin let tmp_current_entry_num = page_list.entry_num; 28340fe15e0SLoGin if page_list.entry_num == 0 { 28440fe15e0SLoGin if !page_list.next_page.is_null() { 28540fe15e0SLoGin // 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 28640fe15e0SLoGin self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = page_list.next_page; 28740fe15e0SLoGin drop(page_list); 28840fe15e0SLoGin unsafe { self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8) }; 28940fe15e0SLoGin } else { 29040fe15e0SLoGin Self::write_page(page_list_addr, page_list); 29140fe15e0SLoGin } 29240fe15e0SLoGin } else { 29340fe15e0SLoGin // 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 29440fe15e0SLoGin // 把更新后的page_list写回 29540fe15e0SLoGin Self::write_page(page_list_addr, page_list.clone()); 29640fe15e0SLoGin } 29740fe15e0SLoGin 29840fe15e0SLoGin // 检测entry 是否对齐 29940fe15e0SLoGin if !entry.check_aligned(1 << spec_order) { 30040fe15e0SLoGin panic!("entry={:?} is not aligned, spec_order={spec_order}, page_list.entry_num={}", entry, tmp_current_entry_num); 30140fe15e0SLoGin } 30240fe15e0SLoGin return Some(entry); 30340fe15e0SLoGin } 30440fe15e0SLoGin return None; 30540fe15e0SLoGin }; 30640fe15e0SLoGin let result: Option<PhysAddr> = alloc_in_specific_order(order as u8); 30740fe15e0SLoGin // kdebug!("result={:?}", result); 30840fe15e0SLoGin if result.is_some() { 30940fe15e0SLoGin return result; 31040fe15e0SLoGin } 31140fe15e0SLoGin // 尝试从更大的链表中分裂 31240fe15e0SLoGin 31340fe15e0SLoGin let mut current_order = (order + 1) as usize; 31440fe15e0SLoGin let mut x: Option<PhysAddr> = None; 31540fe15e0SLoGin while current_order < MAX_ORDER { 31640fe15e0SLoGin x = alloc_in_specific_order(current_order as u8); 31740fe15e0SLoGin // kdebug!("current_order={:?}", current_order); 31840fe15e0SLoGin if x.is_some() { 31940fe15e0SLoGin break; 32040fe15e0SLoGin } 32140fe15e0SLoGin current_order += 1; 32240fe15e0SLoGin } 32340fe15e0SLoGin 32440fe15e0SLoGin // kdebug!("x={:?}", x); 32540fe15e0SLoGin // 如果找到一个大的块,就进行分裂 32640fe15e0SLoGin if x.is_some() { 32740fe15e0SLoGin // 分裂到order阶 32840fe15e0SLoGin while current_order > order as usize { 32940fe15e0SLoGin current_order -= 1; 33040fe15e0SLoGin // 把后面那半块放回空闲链表 33140fe15e0SLoGin 33240fe15e0SLoGin let buddy = *x.as_ref().unwrap() + (1 << current_order); 33340fe15e0SLoGin // kdebug!("x={:?}, buddy={:?}", x, buddy); 33440fe15e0SLoGin // kdebug!("current_order={:?}, buddy={:?}", current_order, buddy); 33540fe15e0SLoGin unsafe { self.buddy_free(buddy, current_order as u8) }; 33640fe15e0SLoGin } 33740fe15e0SLoGin return x; 33840fe15e0SLoGin } 33940fe15e0SLoGin 34040fe15e0SLoGin return None; 34140fe15e0SLoGin } 34240fe15e0SLoGin 34340fe15e0SLoGin /// 从伙伴系统中分配count个页面 34440fe15e0SLoGin /// 34540fe15e0SLoGin /// ## 参数 34640fe15e0SLoGin /// 34740fe15e0SLoGin /// - `count`:需要分配的页面数 34840fe15e0SLoGin /// 34940fe15e0SLoGin /// ## 返回值 35040fe15e0SLoGin /// 35140fe15e0SLoGin /// 返回分配的页面的物理地址和页面数 35240fe15e0SLoGin fn buddy_alloc(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> { 35340fe15e0SLoGin assert!(count.data().is_power_of_two()); 35440fe15e0SLoGin // 计算需要分配的阶数 35540fe15e0SLoGin let mut order = log2(count.data() as usize); 35640fe15e0SLoGin if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 { 35740fe15e0SLoGin order += 1; 35840fe15e0SLoGin } 35940fe15e0SLoGin let order = (order + MIN_ORDER) as u8; 36040fe15e0SLoGin if order as usize >= MAX_ORDER { 36140fe15e0SLoGin return None; 36240fe15e0SLoGin } 36340fe15e0SLoGin 36440fe15e0SLoGin // kdebug!("buddy_alloc: order = {}", order); 36540fe15e0SLoGin // 获取该阶数的一个空闲页面 36640fe15e0SLoGin let free_addr = self.pop_front(order); 36740fe15e0SLoGin // kdebug!( 36840fe15e0SLoGin // "buddy_alloc: order = {}, free_addr = {:?}", 36940fe15e0SLoGin // order, 37040fe15e0SLoGin // free_addr 37140fe15e0SLoGin // ); 37240fe15e0SLoGin return free_addr 37340fe15e0SLoGin .map(|addr| (addr, PageFrameCount::new(1 << (order as usize - MIN_ORDER)))); 37440fe15e0SLoGin } 37540fe15e0SLoGin 37640fe15e0SLoGin /// 释放一个块 37740fe15e0SLoGin /// 37840fe15e0SLoGin /// ## 参数 37940fe15e0SLoGin /// 38040fe15e0SLoGin /// - `base` - 块的起始地址 38140fe15e0SLoGin /// - `order` - 块的阶数 38240fe15e0SLoGin unsafe fn buddy_free(&mut self, mut base: PhysAddr, order: u8) { 38340fe15e0SLoGin // kdebug!("buddy_free: base = {:?}, order = {}", base, order); 38440fe15e0SLoGin let mut order = order as usize; 38540fe15e0SLoGin 38640fe15e0SLoGin while order < MAX_ORDER { 38740fe15e0SLoGin // 检测地址是否合法 38840fe15e0SLoGin if base.data() & ((1 << (order)) - 1) != 0 { 38940fe15e0SLoGin panic!( 39040fe15e0SLoGin "buddy_free: base is not aligned, base = {:#x}, order = {}", 39140fe15e0SLoGin base.data(), 39240fe15e0SLoGin order 39340fe15e0SLoGin ); 39440fe15e0SLoGin } 39540fe15e0SLoGin 39640fe15e0SLoGin // 在链表中寻找伙伴块 39740fe15e0SLoGin // 伙伴块的地址是base ^ (1 << order) 39840fe15e0SLoGin let buddy_addr = PhysAddr::new(base.data() ^ (1 << order)); 39940fe15e0SLoGin 40040fe15e0SLoGin let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 40140fe15e0SLoGin let mut page_list_paddr = first_page_list_paddr; 40240fe15e0SLoGin let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr); 40340fe15e0SLoGin let first_page_list = page_list.clone(); 40440fe15e0SLoGin 40540fe15e0SLoGin let mut buddy_entry_virt_vaddr = None; 40640fe15e0SLoGin let mut buddy_entry_page_list_paddr = None; 40740fe15e0SLoGin // 除非order是最大的,否则尝试查找伙伴块 40840fe15e0SLoGin if likely(order != MAX_ORDER - 1) { 40940fe15e0SLoGin 'outer: loop { 41040fe15e0SLoGin for i in 0..page_list.entry_num { 41140fe15e0SLoGin let entry_virt_addr = Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, i); 41240fe15e0SLoGin let entry: PhysAddr = unsafe { A::read(entry_virt_addr) }; 41340fe15e0SLoGin if entry == buddy_addr { 41440fe15e0SLoGin // 找到了伙伴块,记录该entry相关信息,然后退出查找 41540fe15e0SLoGin buddy_entry_virt_vaddr = Some(entry_virt_addr); 41640fe15e0SLoGin buddy_entry_page_list_paddr = Some(page_list_paddr); 41740fe15e0SLoGin break 'outer; 41840fe15e0SLoGin } 41940fe15e0SLoGin } 42040fe15e0SLoGin if page_list.next_page.is_null() { 42140fe15e0SLoGin break; 42240fe15e0SLoGin } 42340fe15e0SLoGin page_list_paddr = page_list.next_page; 42440fe15e0SLoGin page_list = Self::read_page(page_list_paddr); 42540fe15e0SLoGin } 42640fe15e0SLoGin } 42740fe15e0SLoGin 42840fe15e0SLoGin // 如果没有找到伙伴块 42940fe15e0SLoGin if buddy_entry_virt_vaddr.is_none() { 43040fe15e0SLoGin assert!( 43140fe15e0SLoGin page_list.entry_num <= Self::BUDDY_ENTRIES, 43240fe15e0SLoGin "buddy_free: page_list.entry_num > Self::BUDDY_ENTRIES" 43340fe15e0SLoGin ); 43440fe15e0SLoGin 43540fe15e0SLoGin // 当前第一个page_list没有空间了 43640fe15e0SLoGin if first_page_list.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES { 43740fe15e0SLoGin // 如果当前order是最小的,那么就把这个块当作新的page_list使用 43840fe15e0SLoGin let new_page_list_addr = if order == MIN_ORDER { 43940fe15e0SLoGin base 44040fe15e0SLoGin } else { 44140fe15e0SLoGin // 否则分配新的page_list 44240fe15e0SLoGin // 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 44340fe15e0SLoGin // 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 44440fe15e0SLoGin self.buddy_alloc(PageFrameCount::new(1)) 44540fe15e0SLoGin .expect("buddy_alloc failed: no enough memory") 44640fe15e0SLoGin .0 44740fe15e0SLoGin }; 44840fe15e0SLoGin 44940fe15e0SLoGin // 清空这个页面 45040fe15e0SLoGin core::ptr::write_bytes( 45140fe15e0SLoGin A::phys_2_virt(new_page_list_addr) 45240fe15e0SLoGin .expect( 45340fe15e0SLoGin "Buddy free: failed to get virt address of [new_page_list_addr]", 45440fe15e0SLoGin ) 45540fe15e0SLoGin .as_ptr::<u8>(), 45640fe15e0SLoGin 0, 45740fe15e0SLoGin 1 << order, 45840fe15e0SLoGin ); 45940fe15e0SLoGin assert!( 46040fe15e0SLoGin first_page_list_paddr == self.free_area[Self::order2index(order as u8)] 46140fe15e0SLoGin ); 46240fe15e0SLoGin // 初始化新的page_list 46340fe15e0SLoGin let new_page_list = PageList::new(0, first_page_list_paddr); 46440fe15e0SLoGin Self::write_page(new_page_list_addr, new_page_list); 46540fe15e0SLoGin self.free_area[Self::order2index(order as u8)] = new_page_list_addr; 46640fe15e0SLoGin } 46740fe15e0SLoGin 46840fe15e0SLoGin // 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 46940fe15e0SLoGin let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 47040fe15e0SLoGin let first_page_list: PageList<A> = Self::read_page(first_page_list_paddr); 47140fe15e0SLoGin 47240fe15e0SLoGin // 检查第二个page_list是否有空位 47340fe15e0SLoGin let second_page_list = if first_page_list.next_page.is_null() { 47440fe15e0SLoGin None 47540fe15e0SLoGin } else { 47640fe15e0SLoGin Some(Self::read_page::<PageList<A>>(first_page_list.next_page)) 47740fe15e0SLoGin }; 47840fe15e0SLoGin 47940fe15e0SLoGin let (paddr, mut page_list) = if let Some(second) = second_page_list { 48040fe15e0SLoGin // 第二个page_list有空位 48140fe15e0SLoGin // 应当符合之前的假设:还有1个空位 48240fe15e0SLoGin assert!(second.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES - 1); 48340fe15e0SLoGin 48440fe15e0SLoGin (first_page_list.next_page, second) 48540fe15e0SLoGin } else { 48640fe15e0SLoGin // 在第一个page list中分配 48740fe15e0SLoGin (first_page_list_paddr, first_page_list) 48840fe15e0SLoGin }; 48940fe15e0SLoGin 49040fe15e0SLoGin // kdebug!("to write entry, page_list_base={paddr:?}, page_list.entry_num={}, value={base:?}", page_list.entry_num); 49140fe15e0SLoGin assert!(page_list.entry_num < Self::BUDDY_ENTRIES); 49240fe15e0SLoGin // 把要归还的块,写入到链表项中 49340fe15e0SLoGin unsafe { A::write(Self::entry_virt_addr(paddr, page_list.entry_num), base) } 49440fe15e0SLoGin page_list.entry_num += 1; 49540fe15e0SLoGin Self::write_page(paddr, page_list); 49640fe15e0SLoGin return; 49740fe15e0SLoGin } else { 49840fe15e0SLoGin // 如果找到了伙伴块,合并,向上递归 49940fe15e0SLoGin 50040fe15e0SLoGin // 伙伴块所在的表项的虚拟地址 50140fe15e0SLoGin let buddy_entry_virt_addr = buddy_entry_virt_vaddr.unwrap(); 50240fe15e0SLoGin // 伙伴块所在的page_list的物理地址 50340fe15e0SLoGin let buddy_entry_page_list_paddr = buddy_entry_page_list_paddr.unwrap(); 50440fe15e0SLoGin 50540fe15e0SLoGin let mut page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 50640fe15e0SLoGin let mut page_list = Self::read_page::<PageList<A>>(page_list_paddr); 50740fe15e0SLoGin // 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 50840fe15e0SLoGin while page_list.entry_num == 0 { 50940fe15e0SLoGin if page_list.next_page.is_null() { 51040fe15e0SLoGin panic!( 51140fe15e0SLoGin "buddy_free: page_list.entry_num == 0 && page_list.next_page.is_null()" 51240fe15e0SLoGin ); 51340fe15e0SLoGin } 51440fe15e0SLoGin page_list_paddr = page_list.next_page; 51540fe15e0SLoGin page_list = Self::read_page(page_list_paddr); 51640fe15e0SLoGin } 51740fe15e0SLoGin 51840fe15e0SLoGin // 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 51940fe15e0SLoGin if page_list_paddr != buddy_entry_page_list_paddr { 52040fe15e0SLoGin let entry: PhysAddr = unsafe { 52140fe15e0SLoGin A::read(Self::entry_virt_addr( 52240fe15e0SLoGin page_list_paddr, 52340fe15e0SLoGin page_list.entry_num - 1, 52440fe15e0SLoGin )) 52540fe15e0SLoGin }; 52640fe15e0SLoGin // 把这个空闲块写入到伙伴块的位置 52740fe15e0SLoGin unsafe { 52840fe15e0SLoGin A::write(buddy_entry_virt_addr, entry); 52940fe15e0SLoGin } 53040fe15e0SLoGin // 设置刚才那个entry为空 53140fe15e0SLoGin unsafe { 53240fe15e0SLoGin A::write( 53340fe15e0SLoGin Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 53440fe15e0SLoGin PhysAddr::new(0), 53540fe15e0SLoGin ); 53640fe15e0SLoGin } 53740fe15e0SLoGin // 更新当前链表页的统计数据 53840fe15e0SLoGin page_list.entry_num -= 1; 53940fe15e0SLoGin Self::write_page(page_list_paddr, page_list); 54040fe15e0SLoGin } else { 54140fe15e0SLoGin // 伙伴块所在的链表页就是第一个链表页 54240fe15e0SLoGin let last_entry: PhysAddr = unsafe { 54340fe15e0SLoGin A::read(Self::entry_virt_addr( 54440fe15e0SLoGin page_list_paddr, 54540fe15e0SLoGin page_list.entry_num - 1, 54640fe15e0SLoGin )) 54740fe15e0SLoGin }; 54840fe15e0SLoGin 54940fe15e0SLoGin // 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 55040fe15e0SLoGin // 否则后面的操作也将删除这个伙伴块 55140fe15e0SLoGin if last_entry != buddy_addr { 55240fe15e0SLoGin unsafe { 55340fe15e0SLoGin A::write(buddy_entry_virt_addr, last_entry); 55440fe15e0SLoGin A::write( 55540fe15e0SLoGin Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 55640fe15e0SLoGin PhysAddr::new(0), 55740fe15e0SLoGin ); 55840fe15e0SLoGin } 55940fe15e0SLoGin } else { 56040fe15e0SLoGin unsafe { 56140fe15e0SLoGin A::write( 56240fe15e0SLoGin Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 56340fe15e0SLoGin PhysAddr::new(0), 56440fe15e0SLoGin ); 56540fe15e0SLoGin } 56640fe15e0SLoGin } 56740fe15e0SLoGin // 更新当前链表页的统计数据 56840fe15e0SLoGin page_list.entry_num -= 1; 56940fe15e0SLoGin Self::write_page(page_list_paddr, page_list); 57040fe15e0SLoGin } 57140fe15e0SLoGin } 57240fe15e0SLoGin base = min(base, buddy_addr); 57340fe15e0SLoGin order += 1; 57440fe15e0SLoGin } 57540fe15e0SLoGin // 走到这一步,order应该为MAX_ORDER-1 57640fe15e0SLoGin assert!(order == MAX_ORDER - 1); 57740fe15e0SLoGin } 57840fe15e0SLoGin } 57940fe15e0SLoGin 58040fe15e0SLoGin impl<A: MemoryManagementArch> FrameAllocator for BuddyAllocator<A> { 58140fe15e0SLoGin unsafe fn allocate(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> { 58240fe15e0SLoGin return self.buddy_alloc(count); 58340fe15e0SLoGin } 58440fe15e0SLoGin 58540fe15e0SLoGin /// 释放一个块 58640fe15e0SLoGin /// 58740fe15e0SLoGin /// ## 参数 58840fe15e0SLoGin /// 58940fe15e0SLoGin /// - `base` - 块的起始地址 59040fe15e0SLoGin /// - `count` - 块的页数(必须是2的幂) 59140fe15e0SLoGin /// 59240fe15e0SLoGin /// ## Panic 59340fe15e0SLoGin /// 59440fe15e0SLoGin /// 如果count不是2的幂,会panic 59540fe15e0SLoGin unsafe fn free(&mut self, base: PhysAddr, count: PageFrameCount) { 59640fe15e0SLoGin // 要求count是2的幂 59740fe15e0SLoGin if unlikely(!count.data().is_power_of_two()) { 59840fe15e0SLoGin kwarn!("buddy free: count is not power of two"); 59940fe15e0SLoGin } 60040fe15e0SLoGin let mut order = log2(count.data() as usize); 60140fe15e0SLoGin if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 { 60240fe15e0SLoGin order += 1; 60340fe15e0SLoGin } 60440fe15e0SLoGin let order = (order + MIN_ORDER) as u8; 60540fe15e0SLoGin // kdebug!("free: base={:?}, count={:?}", base, count); 60640fe15e0SLoGin self.buddy_free(base, order); 60740fe15e0SLoGin } 60840fe15e0SLoGin 60940fe15e0SLoGin unsafe fn usage(&self) -> PageFrameUsage { 61034e6d6c8Syuyi2439 let mut free_page_num: usize = 0; 61134e6d6c8Syuyi2439 for index in 0..(MAX_ORDER - MIN_ORDER) { 61234e6d6c8Syuyi2439 let mut pagelist: PageList<A> = Self::read_page(self.free_area[index]); 61334e6d6c8Syuyi2439 loop { 61434e6d6c8Syuyi2439 free_page_num += pagelist.entry_num << index; 61534e6d6c8Syuyi2439 if pagelist.next_page.is_null() { 61634e6d6c8Syuyi2439 break; 61734e6d6c8Syuyi2439 } 61834e6d6c8Syuyi2439 pagelist = Self::read_page(pagelist.next_page); 61934e6d6c8Syuyi2439 } 62034e6d6c8Syuyi2439 } 62134e6d6c8Syuyi2439 let free = PageFrameCount::new(free_page_num); 62234e6d6c8Syuyi2439 PageFrameUsage::new(self.total - free, self.total) 62340fe15e0SLoGin } 62440fe15e0SLoGin } 62540fe15e0SLoGin 62640fe15e0SLoGin /// 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) 62740fe15e0SLoGin fn log2(x: usize) -> usize { 62840fe15e0SLoGin let leading_zeros = x.leading_zeros() as usize; 62940fe15e0SLoGin let log2x = 63 - leading_zeros; 63040fe15e0SLoGin return log2x; 63140fe15e0SLoGin } 632