xref: /DragonOS/kernel/src/mm/allocator/buddy.rs (revision 99dbf38d2e279ea70e9e186753fd37001dbb749f)
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};
9*99dbf38dSLoGin use crate::mm::{MemoryManagementArch, PhysAddr, PhysMemoryArea, VirtAddr};
1026887c63SLoGin use crate::{kdebug, kwarn};
11*99dbf38dSLoGin 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();
80*99dbf38dSLoGin         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 
99*99dbf38dSLoGin         let mut allocator = Self {
100*99dbf38dSLoGin             free_area,
101*99dbf38dSLoGin             total: PageFrameCount::new(0),
102*99dbf38dSLoGin             phantom: PhantomData,
103*99dbf38dSLoGin         };
10440fe15e0SLoGin 
105*99dbf38dSLoGin         let mut total_pages_to_buddy = PageFrameCount::new(0);
106*99dbf38dSLoGin         let mut res_areas = [PhysMemoryArea::default(); 128];
107*99dbf38dSLoGin         let mut offset_in_remain_area = bump_allocator
108*99dbf38dSLoGin             .remain_areas(&mut res_areas)
109*99dbf38dSLoGin             .expect("BuddyAllocator: failed to get remain areas from bump allocator");
110*99dbf38dSLoGin 
111*99dbf38dSLoGin         let remain_areas = &res_areas[0..];
112*99dbf38dSLoGin 
113*99dbf38dSLoGin         kdebug!("Remain areas: {:?}", &remain_areas[0..10]);
114*99dbf38dSLoGin         kdebug!("offset_in_remain_area: {:?}", offset_in_remain_area);
115*99dbf38dSLoGin 
116*99dbf38dSLoGin         for area in remain_areas {
117*99dbf38dSLoGin             let mut paddr = (area.area_base_aligned() + offset_in_remain_area).data();
118*99dbf38dSLoGin             let mut remain_pages =
119*99dbf38dSLoGin                 PageFrameCount::from_bytes(area.area_end_aligned().data() - paddr).unwrap();
120*99dbf38dSLoGin             total_pages_to_buddy += remain_pages;
121*99dbf38dSLoGin 
122*99dbf38dSLoGin             if offset_in_remain_area != 0 {
123*99dbf38dSLoGin                 offset_in_remain_area = 0;
12440fe15e0SLoGin             }
12540fe15e0SLoGin 
126*99dbf38dSLoGin             // 先从低阶开始,尽可能地填满空闲链表
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 {
138*99dbf38dSLoGin                         allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8);
13940fe15e0SLoGin 
14040fe15e0SLoGin                         paddr += 1 << i;
14140fe15e0SLoGin                         remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER);
14240fe15e0SLoGin                     };
14340fe15e0SLoGin                 } else {
14440fe15e0SLoGin                     // 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)
14540fe15e0SLoGin                     // 断言剩余页面数量是MAX_ORDER-1阶的整数倍
14640fe15e0SLoGin 
14740fe15e0SLoGin                     let mut entries = (remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE) >> i;
14840fe15e0SLoGin                     while entries > 0 {
149*99dbf38dSLoGin                         allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8);
150*99dbf38dSLoGin                         paddr += 1 << i;
15140fe15e0SLoGin                         remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER);
152*99dbf38dSLoGin 
15340fe15e0SLoGin                         entries -= 1;
15440fe15e0SLoGin                     }
15540fe15e0SLoGin                 }
15640fe15e0SLoGin             }
15740fe15e0SLoGin 
158*99dbf38dSLoGin             // 然后从高往低,把剩余的页面加入链表
15940fe15e0SLoGin             let mut remain_bytes = remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE;
16040fe15e0SLoGin 
16140fe15e0SLoGin             assert!(remain_bytes < (1 << MAX_ORDER - 1));
16240fe15e0SLoGin 
16340fe15e0SLoGin             for i in (MIN_ORDER..MAX_ORDER).rev() {
16426887c63SLoGin                 if remain_bytes >= (1 << i) {
16526887c63SLoGin                     assert!(paddr & ((1 << i) - 1) == 0);
166*99dbf38dSLoGin                     allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8);
16740fe15e0SLoGin 
16840fe15e0SLoGin                     paddr += 1 << i;
16940fe15e0SLoGin                     remain_bytes -= 1 << i;
17040fe15e0SLoGin                 }
17140fe15e0SLoGin             }
17240fe15e0SLoGin 
17340fe15e0SLoGin             assert!(remain_bytes == 0);
174*99dbf38dSLoGin         }
17540fe15e0SLoGin 
176*99dbf38dSLoGin         kdebug!("Total pages to buddy: {:?}", total_pages_to_buddy);
177*99dbf38dSLoGin         allocator.total = total_memory;
17840fe15e0SLoGin 
17940fe15e0SLoGin         Some(allocator)
18040fe15e0SLoGin     }
18140fe15e0SLoGin     /// 获取第j个entry的虚拟地址,
18240fe15e0SLoGin     /// j从0开始计数
18340fe15e0SLoGin     pub fn entry_virt_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> VirtAddr {
18440fe15e0SLoGin         let entry_virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(Self::entry_addr(base_addr, j)) };
18540fe15e0SLoGin         return entry_virt_addr.unwrap();
18640fe15e0SLoGin     }
18740fe15e0SLoGin     pub fn entry_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> PhysAddr {
18840fe15e0SLoGin         let entry_addr = base_addr + mem::size_of::<PageList<A>>() + j * mem::size_of::<PhysAddr>();
18940fe15e0SLoGin         return entry_addr;
19040fe15e0SLoGin     }
19140fe15e0SLoGin     pub fn read_page<T>(addr: PhysAddr) -> T {
19240fe15e0SLoGin         let page_list = unsafe { A::read(A::phys_2_virt(addr).unwrap()) };
19340fe15e0SLoGin         return page_list;
19440fe15e0SLoGin     }
19540fe15e0SLoGin 
19640fe15e0SLoGin     pub fn write_page(curr_page: PhysAddr, page_list: PageList<A>) {
19740fe15e0SLoGin         // 把物理地址转换为虚拟地址
19840fe15e0SLoGin         let virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(curr_page) };
19940fe15e0SLoGin         let virt_addr = virt_addr.unwrap();
20040fe15e0SLoGin         unsafe { A::write(virt_addr, page_list) };
20140fe15e0SLoGin     }
20240fe15e0SLoGin 
20340fe15e0SLoGin     /// 从order转换为free_area的下标
20440fe15e0SLoGin     ///
20540fe15e0SLoGin     /// # 参数
20640fe15e0SLoGin     ///
20740fe15e0SLoGin     /// - `order` - order
20840fe15e0SLoGin     ///
20940fe15e0SLoGin     /// # 返回值
21040fe15e0SLoGin     ///
21140fe15e0SLoGin     /// free_area的下标
21240fe15e0SLoGin     #[inline]
21340fe15e0SLoGin     fn order2index(order: u8) -> usize {
21440fe15e0SLoGin         (order as usize - MIN_ORDER) as usize
21540fe15e0SLoGin     }
21640fe15e0SLoGin 
21740fe15e0SLoGin     /// 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
21840fe15e0SLoGin     ///
21940fe15e0SLoGin     /// ## 参数
22040fe15e0SLoGin     ///
22140fe15e0SLoGin     /// - `order` - 伙伴块的阶数
22240fe15e0SLoGin     fn pop_front(&mut self, order: u8) -> Option<PhysAddr> {
22340fe15e0SLoGin         let mut alloc_in_specific_order = |spec_order: u8| {
22440fe15e0SLoGin             // 先尝试在order阶的“空闲链表”的开头位置分配一个伙伴块
22540fe15e0SLoGin             let mut page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)];
22640fe15e0SLoGin             let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_addr);
22740fe15e0SLoGin 
22840fe15e0SLoGin             // 循环删除头部的空闲链表页
22940fe15e0SLoGin             while page_list.entry_num == 0 {
23040fe15e0SLoGin                 let next_page_list_addr = page_list.next_page;
23140fe15e0SLoGin                 // 找完了,都是空的
23240fe15e0SLoGin                 if next_page_list_addr.is_null() {
23340fe15e0SLoGin                     return None;
23440fe15e0SLoGin                 }
23540fe15e0SLoGin 
23640fe15e0SLoGin                 if !next_page_list_addr.is_null() {
23740fe15e0SLoGin                     // 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
23840fe15e0SLoGin                     self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = next_page_list_addr;
23940fe15e0SLoGin                     drop(page_list);
24040fe15e0SLoGin                     // kdebug!("FREE: page_list_addr={:b}", page_list_addr.data());
24140fe15e0SLoGin                     unsafe {
24240fe15e0SLoGin                         self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8);
24340fe15e0SLoGin                     }
24440fe15e0SLoGin                 }
24540fe15e0SLoGin                 // 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
24640fe15e0SLoGin                 let next_page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)];
24740fe15e0SLoGin                 assert!(!next_page_list_addr.is_null());
24840fe15e0SLoGin                 page_list = Self::read_page(next_page_list_addr);
24940fe15e0SLoGin                 page_list_addr = next_page_list_addr;
25040fe15e0SLoGin             }
25140fe15e0SLoGin 
25240fe15e0SLoGin             // 有空闲页面,直接分配
25340fe15e0SLoGin             if page_list.entry_num > 0 {
25440fe15e0SLoGin                 let entry: PhysAddr = unsafe {
25540fe15e0SLoGin                     A::read(Self::entry_virt_addr(
25640fe15e0SLoGin                         page_list_addr,
25740fe15e0SLoGin                         page_list.entry_num - 1,
25840fe15e0SLoGin                     ))
25940fe15e0SLoGin                 };
26026887c63SLoGin                 // 清除该entry
26126887c63SLoGin                 unsafe {
26226887c63SLoGin                     A::write(
26326887c63SLoGin                         Self::entry_virt_addr(page_list_addr, page_list.entry_num - 1),
26426887c63SLoGin                         PhysAddr::new(0),
26526887c63SLoGin                     )
26626887c63SLoGin                 };
26740fe15e0SLoGin                 if entry.is_null() {
26826887c63SLoGin                     panic!(
26940fe15e0SLoGin                         "entry is null, entry={:?}, order={}, entry_num = {}",
27040fe15e0SLoGin                         entry,
27140fe15e0SLoGin                         spec_order,
27240fe15e0SLoGin                         page_list.entry_num - 1
27340fe15e0SLoGin                     );
27440fe15e0SLoGin                 }
27540fe15e0SLoGin                 // kdebug!("entry={entry:?}");
27626887c63SLoGin 
27740fe15e0SLoGin                 // 更新page_list的entry_num
27840fe15e0SLoGin                 page_list.entry_num -= 1;
27940fe15e0SLoGin                 let tmp_current_entry_num = page_list.entry_num;
28040fe15e0SLoGin                 if page_list.entry_num == 0 {
28140fe15e0SLoGin                     if !page_list.next_page.is_null() {
28240fe15e0SLoGin                         // 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
28340fe15e0SLoGin                         self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = page_list.next_page;
28440fe15e0SLoGin                         drop(page_list);
28540fe15e0SLoGin                         unsafe { self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8) };
28640fe15e0SLoGin                     } else {
28740fe15e0SLoGin                         Self::write_page(page_list_addr, page_list);
28840fe15e0SLoGin                     }
28940fe15e0SLoGin                 } else {
29040fe15e0SLoGin                     // 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
29140fe15e0SLoGin                     // 把更新后的page_list写回
29240fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_addr, page_list.clone());
29340fe15e0SLoGin                 }
29440fe15e0SLoGin 
29540fe15e0SLoGin                 // 检测entry 是否对齐
29640fe15e0SLoGin                 if !entry.check_aligned(1 << spec_order) {
29740fe15e0SLoGin                     panic!("entry={:?} is not aligned, spec_order={spec_order}, page_list.entry_num={}", entry, tmp_current_entry_num);
29840fe15e0SLoGin                 }
29940fe15e0SLoGin                 return Some(entry);
30040fe15e0SLoGin             }
30140fe15e0SLoGin             return None;
30240fe15e0SLoGin         };
30340fe15e0SLoGin         let result: Option<PhysAddr> = alloc_in_specific_order(order as u8);
30440fe15e0SLoGin         // kdebug!("result={:?}", result);
30540fe15e0SLoGin         if result.is_some() {
30640fe15e0SLoGin             return result;
30740fe15e0SLoGin         }
30840fe15e0SLoGin         // 尝试从更大的链表中分裂
30940fe15e0SLoGin 
31040fe15e0SLoGin         let mut current_order = (order + 1) as usize;
31140fe15e0SLoGin         let mut x: Option<PhysAddr> = None;
31240fe15e0SLoGin         while current_order < MAX_ORDER {
31340fe15e0SLoGin             x = alloc_in_specific_order(current_order as u8);
31440fe15e0SLoGin             // kdebug!("current_order={:?}", current_order);
31540fe15e0SLoGin             if x.is_some() {
31640fe15e0SLoGin                 break;
31740fe15e0SLoGin             }
31840fe15e0SLoGin             current_order += 1;
31940fe15e0SLoGin         }
32040fe15e0SLoGin 
32140fe15e0SLoGin         // kdebug!("x={:?}", x);
32240fe15e0SLoGin         // 如果找到一个大的块,就进行分裂
32340fe15e0SLoGin         if x.is_some() {
32440fe15e0SLoGin             // 分裂到order阶
32540fe15e0SLoGin             while current_order > order as usize {
32640fe15e0SLoGin                 current_order -= 1;
32740fe15e0SLoGin                 // 把后面那半块放回空闲链表
32840fe15e0SLoGin 
32940fe15e0SLoGin                 let buddy = *x.as_ref().unwrap() + (1 << current_order);
33040fe15e0SLoGin                 // kdebug!("x={:?}, buddy={:?}", x, buddy);
33140fe15e0SLoGin                 // kdebug!("current_order={:?}, buddy={:?}", current_order, buddy);
33240fe15e0SLoGin                 unsafe { self.buddy_free(buddy, current_order as u8) };
33340fe15e0SLoGin             }
33440fe15e0SLoGin             return x;
33540fe15e0SLoGin         }
33640fe15e0SLoGin 
33740fe15e0SLoGin         return None;
33840fe15e0SLoGin     }
33940fe15e0SLoGin 
34040fe15e0SLoGin     /// 从伙伴系统中分配count个页面
34140fe15e0SLoGin     ///
34240fe15e0SLoGin     /// ## 参数
34340fe15e0SLoGin     ///
34440fe15e0SLoGin     /// - `count`:需要分配的页面数
34540fe15e0SLoGin     ///
34640fe15e0SLoGin     /// ## 返回值
34740fe15e0SLoGin     ///
34840fe15e0SLoGin     /// 返回分配的页面的物理地址和页面数
34940fe15e0SLoGin     fn buddy_alloc(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> {
35040fe15e0SLoGin         assert!(count.data().is_power_of_two());
35140fe15e0SLoGin         // 计算需要分配的阶数
35240fe15e0SLoGin         let mut order = log2(count.data() as usize);
35340fe15e0SLoGin         if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 {
35440fe15e0SLoGin             order += 1;
35540fe15e0SLoGin         }
35640fe15e0SLoGin         let order = (order + MIN_ORDER) as u8;
35740fe15e0SLoGin         if order as usize >= MAX_ORDER {
35840fe15e0SLoGin             return None;
35940fe15e0SLoGin         }
36040fe15e0SLoGin 
36140fe15e0SLoGin         // kdebug!("buddy_alloc: order = {}", order);
36240fe15e0SLoGin         // 获取该阶数的一个空闲页面
36340fe15e0SLoGin         let free_addr = self.pop_front(order);
36440fe15e0SLoGin         // kdebug!(
36540fe15e0SLoGin         //     "buddy_alloc: order = {}, free_addr = {:?}",
36640fe15e0SLoGin         //     order,
36740fe15e0SLoGin         //     free_addr
36840fe15e0SLoGin         // );
36940fe15e0SLoGin         return free_addr
37040fe15e0SLoGin             .map(|addr| (addr, PageFrameCount::new(1 << (order as usize - MIN_ORDER))));
37140fe15e0SLoGin     }
37240fe15e0SLoGin 
37340fe15e0SLoGin     /// 释放一个块
37440fe15e0SLoGin     ///
37540fe15e0SLoGin     /// ## 参数
37640fe15e0SLoGin     ///
37740fe15e0SLoGin     /// - `base` - 块的起始地址
37840fe15e0SLoGin     /// - `order` - 块的阶数
37940fe15e0SLoGin     unsafe fn buddy_free(&mut self, mut base: PhysAddr, order: u8) {
38040fe15e0SLoGin         // kdebug!("buddy_free: base = {:?}, order = {}", base, order);
38140fe15e0SLoGin         let mut order = order as usize;
38240fe15e0SLoGin 
38340fe15e0SLoGin         while order < MAX_ORDER {
38440fe15e0SLoGin             // 检测地址是否合法
38540fe15e0SLoGin             if base.data() & ((1 << (order)) - 1) != 0 {
38640fe15e0SLoGin                 panic!(
38740fe15e0SLoGin                     "buddy_free: base is not aligned, base = {:#x}, order = {}",
38840fe15e0SLoGin                     base.data(),
38940fe15e0SLoGin                     order
39040fe15e0SLoGin                 );
39140fe15e0SLoGin             }
39240fe15e0SLoGin 
39340fe15e0SLoGin             // 在链表中寻找伙伴块
39440fe15e0SLoGin             // 伙伴块的地址是base ^ (1 << order)
39540fe15e0SLoGin             let buddy_addr = PhysAddr::new(base.data() ^ (1 << order));
39640fe15e0SLoGin 
39740fe15e0SLoGin             let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)];
39840fe15e0SLoGin             let mut page_list_paddr = first_page_list_paddr;
39940fe15e0SLoGin             let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr);
40040fe15e0SLoGin             let first_page_list = page_list.clone();
40140fe15e0SLoGin 
40240fe15e0SLoGin             let mut buddy_entry_virt_vaddr = None;
40340fe15e0SLoGin             let mut buddy_entry_page_list_paddr = None;
40440fe15e0SLoGin             // 除非order是最大的,否则尝试查找伙伴块
40540fe15e0SLoGin             if likely(order != MAX_ORDER - 1) {
40640fe15e0SLoGin                 'outer: loop {
40740fe15e0SLoGin                     for i in 0..page_list.entry_num {
40840fe15e0SLoGin                         let entry_virt_addr = Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, i);
40940fe15e0SLoGin                         let entry: PhysAddr = unsafe { A::read(entry_virt_addr) };
41040fe15e0SLoGin                         if entry == buddy_addr {
41140fe15e0SLoGin                             // 找到了伙伴块,记录该entry相关信息,然后退出查找
41240fe15e0SLoGin                             buddy_entry_virt_vaddr = Some(entry_virt_addr);
41340fe15e0SLoGin                             buddy_entry_page_list_paddr = Some(page_list_paddr);
41440fe15e0SLoGin                             break 'outer;
41540fe15e0SLoGin                         }
41640fe15e0SLoGin                     }
41740fe15e0SLoGin                     if page_list.next_page.is_null() {
41840fe15e0SLoGin                         break;
41940fe15e0SLoGin                     }
42040fe15e0SLoGin                     page_list_paddr = page_list.next_page;
42140fe15e0SLoGin                     page_list = Self::read_page(page_list_paddr);
42240fe15e0SLoGin                 }
42340fe15e0SLoGin             }
42440fe15e0SLoGin 
42540fe15e0SLoGin             // 如果没有找到伙伴块
42640fe15e0SLoGin             if buddy_entry_virt_vaddr.is_none() {
42740fe15e0SLoGin                 assert!(
42840fe15e0SLoGin                     page_list.entry_num <= Self::BUDDY_ENTRIES,
42940fe15e0SLoGin                     "buddy_free: page_list.entry_num > Self::BUDDY_ENTRIES"
43040fe15e0SLoGin                 );
43140fe15e0SLoGin 
43240fe15e0SLoGin                 // 当前第一个page_list没有空间了
43340fe15e0SLoGin                 if first_page_list.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES {
43440fe15e0SLoGin                     // 如果当前order是最小的,那么就把这个块当作新的page_list使用
43540fe15e0SLoGin                     let new_page_list_addr = if order == MIN_ORDER {
43640fe15e0SLoGin                         base
43740fe15e0SLoGin                     } else {
43840fe15e0SLoGin                         // 否则分配新的page_list
43940fe15e0SLoGin                         // 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
44040fe15e0SLoGin                         // 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
44140fe15e0SLoGin                         self.buddy_alloc(PageFrameCount::new(1))
44240fe15e0SLoGin                             .expect("buddy_alloc failed: no enough memory")
44340fe15e0SLoGin                             .0
44440fe15e0SLoGin                     };
44540fe15e0SLoGin 
44640fe15e0SLoGin                     // 清空这个页面
44740fe15e0SLoGin                     core::ptr::write_bytes(
44840fe15e0SLoGin                         A::phys_2_virt(new_page_list_addr)
44940fe15e0SLoGin                             .expect(
45040fe15e0SLoGin                                 "Buddy free: failed to get virt address of [new_page_list_addr]",
45140fe15e0SLoGin                             )
45240fe15e0SLoGin                             .as_ptr::<u8>(),
45340fe15e0SLoGin                         0,
45440fe15e0SLoGin                         1 << order,
45540fe15e0SLoGin                     );
45640fe15e0SLoGin                     assert!(
45740fe15e0SLoGin                         first_page_list_paddr == self.free_area[Self::order2index(order as u8)]
45840fe15e0SLoGin                     );
45940fe15e0SLoGin                     // 初始化新的page_list
46040fe15e0SLoGin                     let new_page_list = PageList::new(0, first_page_list_paddr);
46140fe15e0SLoGin                     Self::write_page(new_page_list_addr, new_page_list);
46240fe15e0SLoGin                     self.free_area[Self::order2index(order as u8)] = new_page_list_addr;
46340fe15e0SLoGin                 }
46440fe15e0SLoGin 
46540fe15e0SLoGin                 // 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
46640fe15e0SLoGin                 let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)];
46740fe15e0SLoGin                 let first_page_list: PageList<A> = Self::read_page(first_page_list_paddr);
46840fe15e0SLoGin 
46940fe15e0SLoGin                 // 检查第二个page_list是否有空位
47040fe15e0SLoGin                 let second_page_list = if first_page_list.next_page.is_null() {
47140fe15e0SLoGin                     None
47240fe15e0SLoGin                 } else {
47340fe15e0SLoGin                     Some(Self::read_page::<PageList<A>>(first_page_list.next_page))
47440fe15e0SLoGin                 };
47540fe15e0SLoGin 
47640fe15e0SLoGin                 let (paddr, mut page_list) = if let Some(second) = second_page_list {
47740fe15e0SLoGin                     // 第二个page_list有空位
47840fe15e0SLoGin                     // 应当符合之前的假设:还有1个空位
47940fe15e0SLoGin                     assert!(second.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES - 1);
48040fe15e0SLoGin 
48140fe15e0SLoGin                     (first_page_list.next_page, second)
48240fe15e0SLoGin                 } else {
48340fe15e0SLoGin                     // 在第一个page list中分配
48440fe15e0SLoGin                     (first_page_list_paddr, first_page_list)
48540fe15e0SLoGin                 };
48640fe15e0SLoGin 
48740fe15e0SLoGin                 // kdebug!("to write entry, page_list_base={paddr:?}, page_list.entry_num={}, value={base:?}", page_list.entry_num);
48840fe15e0SLoGin                 assert!(page_list.entry_num < Self::BUDDY_ENTRIES);
48940fe15e0SLoGin                 // 把要归还的块,写入到链表项中
49040fe15e0SLoGin                 unsafe { A::write(Self::entry_virt_addr(paddr, page_list.entry_num), base) }
49140fe15e0SLoGin                 page_list.entry_num += 1;
49240fe15e0SLoGin                 Self::write_page(paddr, page_list);
49340fe15e0SLoGin                 return;
49440fe15e0SLoGin             } else {
49540fe15e0SLoGin                 // 如果找到了伙伴块,合并,向上递归
49640fe15e0SLoGin 
49740fe15e0SLoGin                 // 伙伴块所在的表项的虚拟地址
49840fe15e0SLoGin                 let buddy_entry_virt_addr = buddy_entry_virt_vaddr.unwrap();
49940fe15e0SLoGin                 // 伙伴块所在的page_list的物理地址
50040fe15e0SLoGin                 let buddy_entry_page_list_paddr = buddy_entry_page_list_paddr.unwrap();
50140fe15e0SLoGin 
50240fe15e0SLoGin                 let mut page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)];
50340fe15e0SLoGin                 let mut page_list = Self::read_page::<PageList<A>>(page_list_paddr);
50440fe15e0SLoGin                 // 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
50540fe15e0SLoGin                 while page_list.entry_num == 0 {
50640fe15e0SLoGin                     if page_list.next_page.is_null() {
50740fe15e0SLoGin                         panic!(
50840fe15e0SLoGin                             "buddy_free: page_list.entry_num == 0 && page_list.next_page.is_null()"
50940fe15e0SLoGin                         );
51040fe15e0SLoGin                     }
51140fe15e0SLoGin                     page_list_paddr = page_list.next_page;
51240fe15e0SLoGin                     page_list = Self::read_page(page_list_paddr);
51340fe15e0SLoGin                 }
51440fe15e0SLoGin 
51540fe15e0SLoGin                 // 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
51640fe15e0SLoGin                 if page_list_paddr != buddy_entry_page_list_paddr {
51740fe15e0SLoGin                     let entry: PhysAddr = unsafe {
51840fe15e0SLoGin                         A::read(Self::entry_virt_addr(
51940fe15e0SLoGin                             page_list_paddr,
52040fe15e0SLoGin                             page_list.entry_num - 1,
52140fe15e0SLoGin                         ))
52240fe15e0SLoGin                     };
52340fe15e0SLoGin                     // 把这个空闲块写入到伙伴块的位置
52440fe15e0SLoGin                     unsafe {
52540fe15e0SLoGin                         A::write(buddy_entry_virt_addr, entry);
52640fe15e0SLoGin                     }
52740fe15e0SLoGin                     // 设置刚才那个entry为空
52840fe15e0SLoGin                     unsafe {
52940fe15e0SLoGin                         A::write(
53040fe15e0SLoGin                             Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1),
53140fe15e0SLoGin                             PhysAddr::new(0),
53240fe15e0SLoGin                         );
53340fe15e0SLoGin                     }
53440fe15e0SLoGin                     // 更新当前链表页的统计数据
53540fe15e0SLoGin                     page_list.entry_num -= 1;
53640fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_paddr, page_list);
53740fe15e0SLoGin                 } else {
53840fe15e0SLoGin                     // 伙伴块所在的链表页就是第一个链表页
53940fe15e0SLoGin                     let last_entry: PhysAddr = unsafe {
54040fe15e0SLoGin                         A::read(Self::entry_virt_addr(
54140fe15e0SLoGin                             page_list_paddr,
54240fe15e0SLoGin                             page_list.entry_num - 1,
54340fe15e0SLoGin                         ))
54440fe15e0SLoGin                     };
54540fe15e0SLoGin 
54640fe15e0SLoGin                     // 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
54740fe15e0SLoGin                     // 否则后面的操作也将删除这个伙伴块
54840fe15e0SLoGin                     if last_entry != buddy_addr {
54940fe15e0SLoGin                         unsafe {
55040fe15e0SLoGin                             A::write(buddy_entry_virt_addr, last_entry);
55140fe15e0SLoGin                             A::write(
55240fe15e0SLoGin                                 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1),
55340fe15e0SLoGin                                 PhysAddr::new(0),
55440fe15e0SLoGin                             );
55540fe15e0SLoGin                         }
55640fe15e0SLoGin                     } else {
55740fe15e0SLoGin                         unsafe {
55840fe15e0SLoGin                             A::write(
55940fe15e0SLoGin                                 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1),
56040fe15e0SLoGin                                 PhysAddr::new(0),
56140fe15e0SLoGin                             );
56240fe15e0SLoGin                         }
56340fe15e0SLoGin                     }
56440fe15e0SLoGin                     // 更新当前链表页的统计数据
56540fe15e0SLoGin                     page_list.entry_num -= 1;
56640fe15e0SLoGin                     Self::write_page(page_list_paddr, page_list);
56740fe15e0SLoGin                 }
56840fe15e0SLoGin             }
56940fe15e0SLoGin             base = min(base, buddy_addr);
57040fe15e0SLoGin             order += 1;
57140fe15e0SLoGin         }
57240fe15e0SLoGin         // 走到这一步,order应该为MAX_ORDER-1
57340fe15e0SLoGin         assert!(order == MAX_ORDER - 1);
57440fe15e0SLoGin     }
57540fe15e0SLoGin }
57640fe15e0SLoGin 
57740fe15e0SLoGin impl<A: MemoryManagementArch> FrameAllocator for BuddyAllocator<A> {
57840fe15e0SLoGin     unsafe fn allocate(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> {
57940fe15e0SLoGin         return self.buddy_alloc(count);
58040fe15e0SLoGin     }
58140fe15e0SLoGin 
58240fe15e0SLoGin     /// 释放一个块
58340fe15e0SLoGin     ///
58440fe15e0SLoGin     /// ## 参数
58540fe15e0SLoGin     ///
58640fe15e0SLoGin     /// - `base` - 块的起始地址
58740fe15e0SLoGin     /// - `count` - 块的页数(必须是2的幂)
58840fe15e0SLoGin     ///
58940fe15e0SLoGin     /// ## Panic
59040fe15e0SLoGin     ///
59140fe15e0SLoGin     /// 如果count不是2的幂,会panic
59240fe15e0SLoGin     unsafe fn free(&mut self, base: PhysAddr, count: PageFrameCount) {
59340fe15e0SLoGin         // 要求count是2的幂
59440fe15e0SLoGin         if unlikely(!count.data().is_power_of_two()) {
59540fe15e0SLoGin             kwarn!("buddy free: count is not power of two");
59640fe15e0SLoGin         }
59740fe15e0SLoGin         let mut order = log2(count.data() as usize);
59840fe15e0SLoGin         if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 {
59940fe15e0SLoGin             order += 1;
60040fe15e0SLoGin         }
60140fe15e0SLoGin         let order = (order + MIN_ORDER) as u8;
60240fe15e0SLoGin         // kdebug!("free: base={:?}, count={:?}", base, count);
60340fe15e0SLoGin         self.buddy_free(base, order);
60440fe15e0SLoGin     }
60540fe15e0SLoGin 
60640fe15e0SLoGin     unsafe fn usage(&self) -> PageFrameUsage {
60734e6d6c8Syuyi2439         let mut free_page_num: usize = 0;
60834e6d6c8Syuyi2439         for index in 0..(MAX_ORDER - MIN_ORDER) {
60934e6d6c8Syuyi2439             let mut pagelist: PageList<A> = Self::read_page(self.free_area[index]);
61034e6d6c8Syuyi2439             loop {
61134e6d6c8Syuyi2439                 free_page_num += pagelist.entry_num << index;
61234e6d6c8Syuyi2439                 if pagelist.next_page.is_null() {
61334e6d6c8Syuyi2439                     break;
61434e6d6c8Syuyi2439                 }
61534e6d6c8Syuyi2439                 pagelist = Self::read_page(pagelist.next_page);
61634e6d6c8Syuyi2439             }
61734e6d6c8Syuyi2439         }
61834e6d6c8Syuyi2439         let free = PageFrameCount::new(free_page_num);
61934e6d6c8Syuyi2439         PageFrameUsage::new(self.total - free, self.total)
62040fe15e0SLoGin     }
62140fe15e0SLoGin }
62240fe15e0SLoGin 
62340fe15e0SLoGin /// 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)
62440fe15e0SLoGin fn log2(x: usize) -> usize {
62540fe15e0SLoGin     let leading_zeros = x.leading_zeros() as usize;
62640fe15e0SLoGin     let log2x = 63 - leading_zeros;
62740fe15e0SLoGin     return log2x;
62840fe15e0SLoGin }
629