1 /// @Author: longjin@dragonos.org 2 /// @Author: kongweichao@dragonos.org 3 /// @Date: 2023-03-28 16:03:47 4 /// @FilePath: /DragonOS/kernel/src/mm/allocator/buddy.rs 5 /// @Description: 伙伴分配器 6 use crate::arch::MMArch; 7 use crate::mm::allocator::bump::BumpAllocator; 8 use crate::mm::allocator::page_frame::{FrameAllocator, PageFrameCount, PageFrameUsage}; 9 use crate::mm::{MemoryManagementArch, PhysAddr, PhysMemoryArea, VirtAddr}; 10 use crate::{kdebug, kwarn}; 11 use core::cmp::min; 12 use core::fmt::Debug; 13 use core::intrinsics::{likely, unlikely}; 14 15 use core::{marker::PhantomData, mem}; 16 17 // 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 18 const MAX_ORDER: usize = 31; 19 // 4KB 20 const MIN_ORDER: usize = 12; 21 22 /// 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 23 #[derive(Debug)] 24 pub struct PageList<A> { 25 // 页存放entry的数量 26 entry_num: usize, 27 // 下一个页面的地址 28 next_page: PhysAddr, 29 phantom: PhantomData<A>, 30 } 31 32 impl<A> Clone for PageList<A> { 33 fn clone(&self) -> Self { 34 Self { 35 entry_num: self.entry_num, 36 next_page: self.next_page, 37 phantom: PhantomData, 38 } 39 } 40 } 41 42 impl<A> PageList<A> { 43 #[allow(dead_code)] 44 fn empty() -> Self { 45 Self { 46 entry_num: 0, 47 next_page: PhysAddr::new(0), 48 phantom: PhantomData, 49 } 50 } 51 fn new(entry_num: usize, next_page: PhysAddr) -> Self { 52 Self { 53 entry_num, 54 next_page, 55 phantom: PhantomData, 56 } 57 } 58 } 59 60 /// @brief: 用来表示 buddy 算法中的一个 buddy 块,整体存放在area的头部 61 // 这种方式会出现对齐问题 62 // #[repr(packed)] 63 #[repr(C)] 64 #[derive(Debug)] 65 pub struct BuddyAllocator<A> { 66 // 存放每个阶的空闲“链表”的头部地址 67 free_area: [PhysAddr; (MAX_ORDER - MIN_ORDER) as usize], 68 /// 总页数 69 total: PageFrameCount, 70 phantom: PhantomData<A>, 71 } 72 73 impl<A: MemoryManagementArch> BuddyAllocator<A> { 74 const BUDDY_ENTRIES: usize = 75 // 定义一个变量记录buddy表的大小 76 (A::PAGE_SIZE - mem::size_of::<PageList<A>>()) / mem::size_of::<PhysAddr>(); 77 78 pub unsafe fn new(mut bump_allocator: BumpAllocator<A>) -> Option<Self> { 79 let initial_free_pages = bump_allocator.usage().free(); 80 let total_memory = bump_allocator.usage().total(); 81 kdebug!("Free pages before init buddy: {:?}", initial_free_pages); 82 kdebug!("Buddy entries: {}", Self::BUDDY_ENTRIES); 83 84 let mut free_area: [PhysAddr; (MAX_ORDER - MIN_ORDER) as usize] = 85 [PhysAddr::new(0); (MAX_ORDER - MIN_ORDER) as usize]; 86 87 // Buddy初始占用的空间从bump分配 88 for f in free_area.iter_mut() { 89 let curr_page = bump_allocator.allocate_one(); 90 // 保存每个阶的空闲链表的头部地址 91 *f = curr_page.unwrap(); 92 // 清空当前页 93 core::ptr::write_bytes(MMArch::phys_2_virt(*f)?.data() as *mut u8, 0, A::PAGE_SIZE); 94 95 let page_list: PageList<A> = PageList::new(0, PhysAddr::new(0)); 96 Self::write_page(*f, page_list); 97 } 98 99 let mut allocator = Self { 100 free_area, 101 total: PageFrameCount::new(0), 102 phantom: PhantomData, 103 }; 104 105 let mut total_pages_to_buddy = PageFrameCount::new(0); 106 let mut res_areas = [PhysMemoryArea::default(); 128]; 107 let mut offset_in_remain_area = bump_allocator 108 .remain_areas(&mut res_areas) 109 .expect("BuddyAllocator: failed to get remain areas from bump allocator"); 110 111 let remain_areas = &res_areas[0..]; 112 113 for area in remain_areas { 114 let mut paddr = (area.area_base_aligned() + offset_in_remain_area).data(); 115 let mut remain_pages = 116 PageFrameCount::from_bytes(area.area_end_aligned().data() - paddr).unwrap(); 117 118 if remain_pages.data() == 0 { 119 continue; 120 } 121 kdebug!("area: {area:?}, paddr: {paddr:#x}, remain_pages: {remain_pages:?}"); 122 123 total_pages_to_buddy += remain_pages; 124 125 if offset_in_remain_area != 0 { 126 offset_in_remain_area = 0; 127 } 128 129 // 先从低阶开始,尽可能地填满空闲链表 130 for i in MIN_ORDER..MAX_ORDER { 131 // kdebug!("i {i}, remain pages={}", remain_pages.data()); 132 if remain_pages.data() < (1 << (i - MIN_ORDER)) { 133 break; 134 } 135 136 assert!(paddr & ((1 << i) - 1) == 0); 137 138 if likely(i != MAX_ORDER - 1) { 139 // 要填写entry 140 if paddr & (1 << i) != 0 { 141 allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8); 142 143 paddr += 1 << i; 144 remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER); 145 }; 146 } else { 147 // 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) 148 // 断言剩余页面数量是MAX_ORDER-1阶的整数倍 149 150 let mut entries = (remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE) >> i; 151 while entries > 0 { 152 allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8); 153 paddr += 1 << i; 154 remain_pages -= 1 << (i - MIN_ORDER); 155 156 entries -= 1; 157 } 158 } 159 } 160 161 // 然后从高往低,把剩余的页面加入链表 162 let mut remain_bytes = remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE; 163 164 assert!(remain_bytes < (1 << MAX_ORDER - 1)); 165 166 for i in (MIN_ORDER..MAX_ORDER).rev() { 167 if remain_bytes >= (1 << i) { 168 assert!(paddr & ((1 << i) - 1) == 0); 169 allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8); 170 171 paddr += 1 << i; 172 remain_bytes -= 1 << i; 173 } 174 } 175 176 assert!(remain_bytes == 0); 177 } 178 179 kdebug!("Total pages to buddy: {:?}", total_pages_to_buddy); 180 allocator.total = total_memory; 181 182 Some(allocator) 183 } 184 /// 获取第j个entry的虚拟地址, 185 /// j从0开始计数 186 pub fn entry_virt_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> VirtAddr { 187 let entry_virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(Self::entry_addr(base_addr, j)) }; 188 return entry_virt_addr.unwrap(); 189 } 190 pub fn entry_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> PhysAddr { 191 let entry_addr = base_addr + mem::size_of::<PageList<A>>() + j * mem::size_of::<PhysAddr>(); 192 return entry_addr; 193 } 194 pub fn read_page<T>(addr: PhysAddr) -> T { 195 let page_list = unsafe { A::read(A::phys_2_virt(addr).unwrap()) }; 196 return page_list; 197 } 198 199 pub fn write_page(curr_page: PhysAddr, page_list: PageList<A>) { 200 // 把物理地址转换为虚拟地址 201 let virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(curr_page) }; 202 let virt_addr = virt_addr.unwrap(); 203 unsafe { A::write(virt_addr, page_list) }; 204 } 205 206 /// 从order转换为free_area的下标 207 /// 208 /// # 参数 209 /// 210 /// - `order` - order 211 /// 212 /// # 返回值 213 /// 214 /// free_area的下标 215 #[inline] 216 fn order2index(order: u8) -> usize { 217 (order as usize - MIN_ORDER) as usize 218 } 219 220 /// 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 221 /// 222 /// ## 参数 223 /// 224 /// - `order` - 伙伴块的阶数 225 fn pop_front(&mut self, order: u8) -> Option<PhysAddr> { 226 let mut alloc_in_specific_order = |spec_order: u8| { 227 // 先尝试在order阶的“空闲链表”的开头位置分配一个伙伴块 228 let mut page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)]; 229 let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_addr); 230 231 // 循环删除头部的空闲链表页 232 while page_list.entry_num == 0 { 233 let next_page_list_addr = page_list.next_page; 234 // 找完了,都是空的 235 if next_page_list_addr.is_null() { 236 return None; 237 } 238 239 if !next_page_list_addr.is_null() { 240 // 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 241 self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = next_page_list_addr; 242 drop(page_list); 243 // kdebug!("FREE: page_list_addr={:b}", page_list_addr.data()); 244 unsafe { 245 self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8); 246 } 247 } 248 // 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 249 let next_page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)]; 250 assert!(!next_page_list_addr.is_null()); 251 page_list = Self::read_page(next_page_list_addr); 252 page_list_addr = next_page_list_addr; 253 } 254 255 // 有空闲页面,直接分配 256 if page_list.entry_num > 0 { 257 let entry: PhysAddr = unsafe { 258 A::read(Self::entry_virt_addr( 259 page_list_addr, 260 page_list.entry_num - 1, 261 )) 262 }; 263 // 清除该entry 264 unsafe { 265 A::write( 266 Self::entry_virt_addr(page_list_addr, page_list.entry_num - 1), 267 PhysAddr::new(0), 268 ) 269 }; 270 if entry.is_null() { 271 panic!( 272 "entry is null, entry={:?}, order={}, entry_num = {}", 273 entry, 274 spec_order, 275 page_list.entry_num - 1 276 ); 277 } 278 // kdebug!("entry={entry:?}"); 279 280 // 更新page_list的entry_num 281 page_list.entry_num -= 1; 282 let tmp_current_entry_num = page_list.entry_num; 283 if page_list.entry_num == 0 { 284 if !page_list.next_page.is_null() { 285 // 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 286 self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = page_list.next_page; 287 drop(page_list); 288 unsafe { self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8) }; 289 } else { 290 Self::write_page(page_list_addr, page_list); 291 } 292 } else { 293 // 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 294 // 把更新后的page_list写回 295 Self::write_page(page_list_addr, page_list.clone()); 296 } 297 298 // 检测entry 是否对齐 299 if !entry.check_aligned(1 << spec_order) { 300 panic!("entry={:?} is not aligned, spec_order={spec_order}, page_list.entry_num={}", entry, tmp_current_entry_num); 301 } 302 return Some(entry); 303 } 304 return None; 305 }; 306 let result: Option<PhysAddr> = alloc_in_specific_order(order as u8); 307 // kdebug!("result={:?}", result); 308 if result.is_some() { 309 return result; 310 } 311 // 尝试从更大的链表中分裂 312 313 let mut current_order = (order + 1) as usize; 314 let mut x: Option<PhysAddr> = None; 315 while current_order < MAX_ORDER { 316 x = alloc_in_specific_order(current_order as u8); 317 // kdebug!("current_order={:?}", current_order); 318 if x.is_some() { 319 break; 320 } 321 current_order += 1; 322 } 323 324 // kdebug!("x={:?}", x); 325 // 如果找到一个大的块,就进行分裂 326 if x.is_some() { 327 // 分裂到order阶 328 while current_order > order as usize { 329 current_order -= 1; 330 // 把后面那半块放回空闲链表 331 332 let buddy = *x.as_ref().unwrap() + (1 << current_order); 333 // kdebug!("x={:?}, buddy={:?}", x, buddy); 334 // kdebug!("current_order={:?}, buddy={:?}", current_order, buddy); 335 unsafe { self.buddy_free(buddy, current_order as u8) }; 336 } 337 return x; 338 } 339 340 return None; 341 } 342 343 /// 从伙伴系统中分配count个页面 344 /// 345 /// ## 参数 346 /// 347 /// - `count`:需要分配的页面数 348 /// 349 /// ## 返回值 350 /// 351 /// 返回分配的页面的物理地址和页面数 352 fn buddy_alloc(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> { 353 assert!(count.data().is_power_of_two()); 354 // 计算需要分配的阶数 355 let mut order = log2(count.data() as usize); 356 if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 { 357 order += 1; 358 } 359 let order = (order + MIN_ORDER) as u8; 360 if order as usize >= MAX_ORDER { 361 return None; 362 } 363 364 // kdebug!("buddy_alloc: order = {}", order); 365 // 获取该阶数的一个空闲页面 366 let free_addr = self.pop_front(order); 367 // kdebug!( 368 // "buddy_alloc: order = {}, free_addr = {:?}", 369 // order, 370 // free_addr 371 // ); 372 return free_addr 373 .map(|addr| (addr, PageFrameCount::new(1 << (order as usize - MIN_ORDER)))); 374 } 375 376 /// 释放一个块 377 /// 378 /// ## 参数 379 /// 380 /// - `base` - 块的起始地址 381 /// - `order` - 块的阶数 382 unsafe fn buddy_free(&mut self, mut base: PhysAddr, order: u8) { 383 // kdebug!("buddy_free: base = {:?}, order = {}", base, order); 384 let mut order = order as usize; 385 386 while order < MAX_ORDER { 387 // 检测地址是否合法 388 if base.data() & ((1 << (order)) - 1) != 0 { 389 panic!( 390 "buddy_free: base is not aligned, base = {:#x}, order = {}", 391 base.data(), 392 order 393 ); 394 } 395 396 // 在链表中寻找伙伴块 397 // 伙伴块的地址是base ^ (1 << order) 398 let buddy_addr = PhysAddr::new(base.data() ^ (1 << order)); 399 400 let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 401 let mut page_list_paddr = first_page_list_paddr; 402 let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr); 403 let first_page_list = page_list.clone(); 404 405 let mut buddy_entry_virt_vaddr = None; 406 let mut buddy_entry_page_list_paddr = None; 407 // 除非order是最大的,否则尝试查找伙伴块 408 if likely(order != MAX_ORDER - 1) { 409 'outer: loop { 410 for i in 0..page_list.entry_num { 411 let entry_virt_addr = Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, i); 412 let entry: PhysAddr = unsafe { A::read(entry_virt_addr) }; 413 if entry == buddy_addr { 414 // 找到了伙伴块,记录该entry相关信息,然后退出查找 415 buddy_entry_virt_vaddr = Some(entry_virt_addr); 416 buddy_entry_page_list_paddr = Some(page_list_paddr); 417 break 'outer; 418 } 419 } 420 if page_list.next_page.is_null() { 421 break; 422 } 423 page_list_paddr = page_list.next_page; 424 page_list = Self::read_page(page_list_paddr); 425 } 426 } 427 428 // 如果没有找到伙伴块 429 if buddy_entry_virt_vaddr.is_none() { 430 assert!( 431 page_list.entry_num <= Self::BUDDY_ENTRIES, 432 "buddy_free: page_list.entry_num > Self::BUDDY_ENTRIES" 433 ); 434 435 // 当前第一个page_list没有空间了 436 if first_page_list.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES { 437 // 如果当前order是最小的,那么就把这个块当作新的page_list使用 438 let new_page_list_addr = if order == MIN_ORDER { 439 base 440 } else { 441 // 否则分配新的page_list 442 // 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 443 // 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 444 self.buddy_alloc(PageFrameCount::new(1)) 445 .expect("buddy_alloc failed: no enough memory") 446 .0 447 }; 448 449 // 清空这个页面 450 core::ptr::write_bytes( 451 A::phys_2_virt(new_page_list_addr) 452 .expect( 453 "Buddy free: failed to get virt address of [new_page_list_addr]", 454 ) 455 .as_ptr::<u8>(), 456 0, 457 1 << order, 458 ); 459 assert!( 460 first_page_list_paddr == self.free_area[Self::order2index(order as u8)] 461 ); 462 // 初始化新的page_list 463 let new_page_list = PageList::new(0, first_page_list_paddr); 464 Self::write_page(new_page_list_addr, new_page_list); 465 self.free_area[Self::order2index(order as u8)] = new_page_list_addr; 466 } 467 468 // 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 469 let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 470 let first_page_list: PageList<A> = Self::read_page(first_page_list_paddr); 471 472 // 检查第二个page_list是否有空位 473 let second_page_list = if first_page_list.next_page.is_null() { 474 None 475 } else { 476 Some(Self::read_page::<PageList<A>>(first_page_list.next_page)) 477 }; 478 479 let (paddr, mut page_list) = if let Some(second) = second_page_list { 480 // 第二个page_list有空位 481 // 应当符合之前的假设:还有1个空位 482 assert!(second.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES - 1); 483 484 (first_page_list.next_page, second) 485 } else { 486 // 在第一个page list中分配 487 (first_page_list_paddr, first_page_list) 488 }; 489 490 // kdebug!("to write entry, page_list_base={paddr:?}, page_list.entry_num={}, value={base:?}", page_list.entry_num); 491 assert!(page_list.entry_num < Self::BUDDY_ENTRIES); 492 // 把要归还的块,写入到链表项中 493 unsafe { A::write(Self::entry_virt_addr(paddr, page_list.entry_num), base) } 494 page_list.entry_num += 1; 495 Self::write_page(paddr, page_list); 496 return; 497 } else { 498 // 如果找到了伙伴块,合并,向上递归 499 500 // 伙伴块所在的表项的虚拟地址 501 let buddy_entry_virt_addr = buddy_entry_virt_vaddr.unwrap(); 502 // 伙伴块所在的page_list的物理地址 503 let buddy_entry_page_list_paddr = buddy_entry_page_list_paddr.unwrap(); 504 505 let mut page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 506 let mut page_list = Self::read_page::<PageList<A>>(page_list_paddr); 507 // 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 508 while page_list.entry_num == 0 { 509 if page_list.next_page.is_null() { 510 panic!( 511 "buddy_free: page_list.entry_num == 0 && page_list.next_page.is_null()" 512 ); 513 } 514 page_list_paddr = page_list.next_page; 515 page_list = Self::read_page(page_list_paddr); 516 } 517 518 // 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 519 if page_list_paddr != buddy_entry_page_list_paddr { 520 let entry: PhysAddr = unsafe { 521 A::read(Self::entry_virt_addr( 522 page_list_paddr, 523 page_list.entry_num - 1, 524 )) 525 }; 526 // 把这个空闲块写入到伙伴块的位置 527 unsafe { 528 A::write(buddy_entry_virt_addr, entry); 529 } 530 // 设置刚才那个entry为空 531 unsafe { 532 A::write( 533 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 534 PhysAddr::new(0), 535 ); 536 } 537 // 更新当前链表页的统计数据 538 page_list.entry_num -= 1; 539 Self::write_page(page_list_paddr, page_list); 540 } else { 541 // 伙伴块所在的链表页就是第一个链表页 542 let last_entry: PhysAddr = unsafe { 543 A::read(Self::entry_virt_addr( 544 page_list_paddr, 545 page_list.entry_num - 1, 546 )) 547 }; 548 549 // 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 550 // 否则后面的操作也将删除这个伙伴块 551 if last_entry != buddy_addr { 552 unsafe { 553 A::write(buddy_entry_virt_addr, last_entry); 554 A::write( 555 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 556 PhysAddr::new(0), 557 ); 558 } 559 } else { 560 unsafe { 561 A::write( 562 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 563 PhysAddr::new(0), 564 ); 565 } 566 } 567 // 更新当前链表页的统计数据 568 page_list.entry_num -= 1; 569 Self::write_page(page_list_paddr, page_list); 570 } 571 } 572 base = min(base, buddy_addr); 573 order += 1; 574 } 575 // 走到这一步,order应该为MAX_ORDER-1 576 assert!(order == MAX_ORDER - 1); 577 } 578 } 579 580 impl<A: MemoryManagementArch> FrameAllocator for BuddyAllocator<A> { 581 unsafe fn allocate(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> { 582 return self.buddy_alloc(count); 583 } 584 585 /// 释放一个块 586 /// 587 /// ## 参数 588 /// 589 /// - `base` - 块的起始地址 590 /// - `count` - 块的页数(必须是2的幂) 591 /// 592 /// ## Panic 593 /// 594 /// 如果count不是2的幂,会panic 595 unsafe fn free(&mut self, base: PhysAddr, count: PageFrameCount) { 596 // 要求count是2的幂 597 if unlikely(!count.data().is_power_of_two()) { 598 kwarn!("buddy free: count is not power of two"); 599 } 600 let mut order = log2(count.data() as usize); 601 if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 { 602 order += 1; 603 } 604 let order = (order + MIN_ORDER) as u8; 605 // kdebug!("free: base={:?}, count={:?}", base, count); 606 self.buddy_free(base, order); 607 } 608 609 unsafe fn usage(&self) -> PageFrameUsage { 610 let mut free_page_num: usize = 0; 611 for index in 0..(MAX_ORDER - MIN_ORDER) { 612 let mut pagelist: PageList<A> = Self::read_page(self.free_area[index]); 613 loop { 614 free_page_num += pagelist.entry_num << index; 615 if pagelist.next_page.is_null() { 616 break; 617 } 618 pagelist = Self::read_page(pagelist.next_page); 619 } 620 } 621 let free = PageFrameCount::new(free_page_num); 622 PageFrameUsage::new(self.total - free, self.total) 623 } 624 } 625 626 /// 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) 627 fn log2(x: usize) -> usize { 628 let leading_zeros = x.leading_zeros() as usize; 629 let log2x = 63 - leading_zeros; 630 return log2x; 631 } 632