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], 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] = 85 [PhysAddr::new(0); MAX_ORDER - MIN_ORDER]; 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 // 然后从高往低,把剩余的页面加入链表 161 let mut remain_bytes = remain_pages.data() * A::PAGE_SIZE; 162 163 assert!(remain_bytes < (1 << MAX_ORDER) - 1); 164 165 for i in (MIN_ORDER..MAX_ORDER).rev() { 166 if remain_bytes >= (1 << i) { 167 assert!(paddr & ((1 << i) - 1) == 0); 168 allocator.buddy_free(PhysAddr::new(paddr), i as u8); 169 170 paddr += 1 << i; 171 remain_bytes -= 1 << i; 172 } 173 } 174 175 assert!(remain_bytes == 0); 176 } 177 178 kdebug!("Total pages to buddy: {:?}", total_pages_to_buddy); 179 allocator.total = total_memory; 180 181 Some(allocator) 182 } 183 /// 获取第j个entry的虚拟地址, 184 /// j从0开始计数 185 pub fn entry_virt_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> VirtAddr { 186 let entry_virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(Self::entry_addr(base_addr, j)) }; 187 return entry_virt_addr.unwrap(); 188 } 189 pub fn entry_addr(base_addr: PhysAddr, j: usize) -> PhysAddr { 190 let entry_addr = base_addr + mem::size_of::<PageList<A>>() + j * mem::size_of::<PhysAddr>(); 191 return entry_addr; 192 } 193 pub fn read_page<T>(addr: PhysAddr) -> T { 194 let page_list = unsafe { A::read(A::phys_2_virt(addr).unwrap()) }; 195 return page_list; 196 } 197 198 pub fn write_page(curr_page: PhysAddr, page_list: PageList<A>) { 199 // 把物理地址转换为虚拟地址 200 let virt_addr = unsafe { A::phys_2_virt(curr_page) }; 201 let virt_addr = virt_addr.unwrap(); 202 unsafe { A::write(virt_addr, page_list) }; 203 } 204 205 /// 从order转换为free_area的下标 206 /// 207 /// # 参数 208 /// 209 /// - `order` - order 210 /// 211 /// # 返回值 212 /// 213 /// free_area的下标 214 #[inline] 215 fn order2index(order: u8) -> usize { 216 order as usize - MIN_ORDER 217 } 218 219 /// 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 220 /// 221 /// ## 参数 222 /// 223 /// - `order` - 伙伴块的阶数 224 fn pop_front(&mut self, order: u8) -> Option<PhysAddr> { 225 let mut alloc_in_specific_order = |spec_order: u8| { 226 // 先尝试在order阶的“空闲链表”的开头位置分配一个伙伴块 227 let mut page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)]; 228 let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_addr); 229 230 // 循环删除头部的空闲链表页 231 while page_list.entry_num == 0 { 232 let next_page_list_addr = page_list.next_page; 233 // 找完了,都是空的 234 if next_page_list_addr.is_null() { 235 return None; 236 } 237 238 if !next_page_list_addr.is_null() { 239 // 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 240 self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = next_page_list_addr; 241 // kdebug!("FREE: page_list_addr={:b}", page_list_addr.data()); 242 unsafe { 243 self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8); 244 } 245 } 246 // 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 247 let next_page_list_addr = self.free_area[Self::order2index(spec_order)]; 248 assert!(!next_page_list_addr.is_null()); 249 page_list = Self::read_page(next_page_list_addr); 250 page_list_addr = next_page_list_addr; 251 } 252 253 // 有空闲页面,直接分配 254 if page_list.entry_num > 0 { 255 let entry: PhysAddr = unsafe { 256 A::read(Self::entry_virt_addr( 257 page_list_addr, 258 page_list.entry_num - 1, 259 )) 260 }; 261 // 清除该entry 262 unsafe { 263 A::write( 264 Self::entry_virt_addr(page_list_addr, page_list.entry_num - 1), 265 PhysAddr::new(0), 266 ) 267 }; 268 if entry.is_null() { 269 panic!( 270 "entry is null, entry={:?}, order={}, entry_num = {}", 271 entry, 272 spec_order, 273 page_list.entry_num - 1 274 ); 275 } 276 // kdebug!("entry={entry:?}"); 277 278 // 更新page_list的entry_num 279 page_list.entry_num -= 1; 280 let tmp_current_entry_num = page_list.entry_num; 281 if page_list.entry_num == 0 { 282 if !page_list.next_page.is_null() { 283 // 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 284 self.free_area[Self::order2index(spec_order)] = page_list.next_page; 285 let _ = page_list; 286 unsafe { self.buddy_free(page_list_addr, MMArch::PAGE_SHIFT as u8) }; 287 } else { 288 Self::write_page(page_list_addr, page_list); 289 } 290 } else { 291 // 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 292 // 把更新后的page_list写回 293 Self::write_page(page_list_addr, page_list.clone()); 294 } 295 296 // 检测entry 是否对齐 297 if !entry.check_aligned(1 << spec_order) { 298 panic!("entry={:?} is not aligned, spec_order={spec_order}, page_list.entry_num={}", entry, tmp_current_entry_num); 299 } 300 return Some(entry); 301 } 302 return None; 303 }; 304 let result: Option<PhysAddr> = alloc_in_specific_order(order); 305 // kdebug!("result={:?}", result); 306 if result.is_some() { 307 return result; 308 } 309 // 尝试从更大的链表中分裂 310 311 let mut current_order = (order + 1) as usize; 312 let mut x: Option<PhysAddr> = None; 313 while current_order < MAX_ORDER { 314 x = alloc_in_specific_order(current_order as u8); 315 // kdebug!("current_order={:?}", current_order); 316 if x.is_some() { 317 break; 318 } 319 current_order += 1; 320 } 321 322 // kdebug!("x={:?}", x); 323 // 如果找到一个大的块,就进行分裂 324 if x.is_some() { 325 // 分裂到order阶 326 while current_order > order as usize { 327 current_order -= 1; 328 // 把后面那半块放回空闲链表 329 330 let buddy = *x.as_ref().unwrap() + (1 << current_order); 331 // kdebug!("x={:?}, buddy={:?}", x, buddy); 332 // kdebug!("current_order={:?}, buddy={:?}", current_order, buddy); 333 unsafe { self.buddy_free(buddy, current_order as u8) }; 334 } 335 return x; 336 } 337 338 return None; 339 } 340 341 /// 从伙伴系统中分配count个页面 342 /// 343 /// ## 参数 344 /// 345 /// - `count`:需要分配的页面数 346 /// 347 /// ## 返回值 348 /// 349 /// 返回分配的页面的物理地址和页面数 350 fn buddy_alloc(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> { 351 assert!(count.data().is_power_of_two()); 352 // 计算需要分配的阶数 353 let mut order = log2(count.data()); 354 if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 { 355 order += 1; 356 } 357 let order = (order + MIN_ORDER) as u8; 358 if order as usize >= MAX_ORDER { 359 return None; 360 } 361 362 // kdebug!("buddy_alloc: order = {}", order); 363 // 获取该阶数的一个空闲页面 364 let free_addr = self.pop_front(order); 365 // kdebug!( 366 // "buddy_alloc: order = {}, free_addr = {:?}", 367 // order, 368 // free_addr 369 // ); 370 return free_addr 371 .map(|addr| (addr, PageFrameCount::new(1 << (order as usize - MIN_ORDER)))); 372 } 373 374 /// 释放一个块 375 /// 376 /// ## 参数 377 /// 378 /// - `base` - 块的起始地址 379 /// - `order` - 块的阶数 380 unsafe fn buddy_free(&mut self, mut base: PhysAddr, order: u8) { 381 // kdebug!("buddy_free: base = {:?}, order = {}", base, order); 382 let mut order = order as usize; 383 384 while order < MAX_ORDER { 385 // 检测地址是否合法 386 if base.data() & ((1 << (order)) - 1) != 0 { 387 panic!( 388 "buddy_free: base is not aligned, base = {:#x}, order = {}", 389 base.data(), 390 order 391 ); 392 } 393 394 // 在链表中寻找伙伴块 395 // 伙伴块的地址是base ^ (1 << order) 396 let buddy_addr = PhysAddr::new(base.data() ^ (1 << order)); 397 398 let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 399 let mut page_list_paddr = first_page_list_paddr; 400 let mut page_list: PageList<A> = Self::read_page(page_list_paddr); 401 let first_page_list = page_list.clone(); 402 403 let mut buddy_entry_virt_vaddr = None; 404 let mut buddy_entry_page_list_paddr = None; 405 // 除非order是最大的,否则尝试查找伙伴块 406 if likely(order != MAX_ORDER - 1) { 407 'outer: loop { 408 for i in 0..page_list.entry_num { 409 let entry_virt_addr = Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, i); 410 let entry: PhysAddr = unsafe { A::read(entry_virt_addr) }; 411 if entry == buddy_addr { 412 // 找到了伙伴块,记录该entry相关信息,然后退出查找 413 buddy_entry_virt_vaddr = Some(entry_virt_addr); 414 buddy_entry_page_list_paddr = Some(page_list_paddr); 415 break 'outer; 416 } 417 } 418 if page_list.next_page.is_null() { 419 break; 420 } 421 page_list_paddr = page_list.next_page; 422 page_list = Self::read_page(page_list_paddr); 423 } 424 } 425 426 // 如果没有找到伙伴块 427 if let Some(buddy_entry_virt_addr) = buddy_entry_virt_vaddr { 428 // 如果找到了伙伴块,合并,向上递归 429 430 // 伙伴块所在的page_list的物理地址 431 let buddy_entry_page_list_paddr = buddy_entry_page_list_paddr.unwrap(); 432 433 let mut page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 434 let mut page_list = Self::read_page::<PageList<A>>(page_list_paddr); 435 // 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 436 while page_list.entry_num == 0 { 437 if page_list.next_page.is_null() { 438 panic!( 439 "buddy_free: page_list.entry_num == 0 && page_list.next_page.is_null()" 440 ); 441 } 442 page_list_paddr = page_list.next_page; 443 page_list = Self::read_page(page_list_paddr); 444 } 445 446 // 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 447 if page_list_paddr != buddy_entry_page_list_paddr { 448 let entry: PhysAddr = unsafe { 449 A::read(Self::entry_virt_addr( 450 page_list_paddr, 451 page_list.entry_num - 1, 452 )) 453 }; 454 // 把这个空闲块写入到伙伴块的位置 455 unsafe { 456 A::write(buddy_entry_virt_addr, entry); 457 } 458 // 设置刚才那个entry为空 459 unsafe { 460 A::write( 461 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 462 PhysAddr::new(0), 463 ); 464 } 465 // 更新当前链表页的统计数据 466 page_list.entry_num -= 1; 467 Self::write_page(page_list_paddr, page_list); 468 } else { 469 // 伙伴块所在的链表页就是第一个链表页 470 let last_entry: PhysAddr = unsafe { 471 A::read(Self::entry_virt_addr( 472 page_list_paddr, 473 page_list.entry_num - 1, 474 )) 475 }; 476 477 // 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 478 // 否则后面的操作也将删除这个伙伴块 479 if last_entry != buddy_addr { 480 unsafe { 481 A::write(buddy_entry_virt_addr, last_entry); 482 A::write( 483 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 484 PhysAddr::new(0), 485 ); 486 } 487 } else { 488 unsafe { 489 A::write( 490 Self::entry_virt_addr(page_list_paddr, page_list.entry_num - 1), 491 PhysAddr::new(0), 492 ); 493 } 494 } 495 // 更新当前链表页的统计数据 496 page_list.entry_num -= 1; 497 Self::write_page(page_list_paddr, page_list); 498 } 499 } else { 500 assert!( 501 page_list.entry_num <= Self::BUDDY_ENTRIES, 502 "buddy_free: page_list.entry_num > Self::BUDDY_ENTRIES" 503 ); 504 505 // 当前第一个page_list没有空间了 506 if first_page_list.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES { 507 // 如果当前order是最小的,那么就把这个块当作新的page_list使用 508 let new_page_list_addr = if order == MIN_ORDER { 509 base 510 } else { 511 // 否则分配新的page_list 512 // 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 513 // 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 514 self.buddy_alloc(PageFrameCount::new(1)) 515 .expect("buddy_alloc failed: no enough memory") 516 .0 517 }; 518 519 // 清空这个页面 520 core::ptr::write_bytes( 521 A::phys_2_virt(new_page_list_addr) 522 .expect( 523 "Buddy free: failed to get virt address of [new_page_list_addr]", 524 ) 525 .as_ptr::<u8>(), 526 0, 527 1 << order, 528 ); 529 assert!( 530 first_page_list_paddr == self.free_area[Self::order2index(order as u8)] 531 ); 532 // 初始化新的page_list 533 let new_page_list = PageList::new(0, first_page_list_paddr); 534 Self::write_page(new_page_list_addr, new_page_list); 535 self.free_area[Self::order2index(order as u8)] = new_page_list_addr; 536 } 537 538 // 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 539 let first_page_list_paddr = self.free_area[Self::order2index(order as u8)]; 540 let first_page_list: PageList<A> = Self::read_page(first_page_list_paddr); 541 542 // 检查第二个page_list是否有空位 543 let second_page_list = if first_page_list.next_page.is_null() { 544 None 545 } else { 546 Some(Self::read_page::<PageList<A>>(first_page_list.next_page)) 547 }; 548 549 let (paddr, mut page_list) = if let Some(second) = second_page_list { 550 // 第二个page_list有空位 551 // 应当符合之前的假设:还有1个空位 552 assert!(second.entry_num == Self::BUDDY_ENTRIES - 1); 553 554 (first_page_list.next_page, second) 555 } else { 556 // 在第一个page list中分配 557 (first_page_list_paddr, first_page_list) 558 }; 559 560 // kdebug!("to write entry, page_list_base={paddr:?}, page_list.entry_num={}, value={base:?}", page_list.entry_num); 561 assert!(page_list.entry_num < Self::BUDDY_ENTRIES); 562 // 把要归还的块,写入到链表项中 563 unsafe { A::write(Self::entry_virt_addr(paddr, page_list.entry_num), base) } 564 page_list.entry_num += 1; 565 Self::write_page(paddr, page_list); 566 return; 567 } 568 base = min(base, buddy_addr); 569 order += 1; 570 } 571 // 走到这一步,order应该为MAX_ORDER-1 572 assert!(order == MAX_ORDER - 1); 573 } 574 } 575 576 impl<A: MemoryManagementArch> FrameAllocator for BuddyAllocator<A> { 577 unsafe fn allocate(&mut self, count: PageFrameCount) -> Option<(PhysAddr, PageFrameCount)> { 578 return self.buddy_alloc(count); 579 } 580 581 /// 释放一个块 582 /// 583 /// ## 参数 584 /// 585 /// - `base` - 块的起始地址 586 /// - `count` - 块的页数(必须是2的幂) 587 /// 588 /// ## Panic 589 /// 590 /// 如果count不是2的幂,会panic 591 unsafe fn free(&mut self, base: PhysAddr, count: PageFrameCount) { 592 // 要求count是2的幂 593 if unlikely(!count.data().is_power_of_two()) { 594 kwarn!("buddy free: count is not power of two"); 595 } 596 let mut order = log2(count.data()); 597 if count.data() & ((1 << order) - 1) != 0 { 598 order += 1; 599 } 600 let order = (order + MIN_ORDER) as u8; 601 // kdebug!("free: base={:?}, count={:?}", base, count); 602 self.buddy_free(base, order); 603 } 604 605 unsafe fn usage(&self) -> PageFrameUsage { 606 let mut free_page_num: usize = 0; 607 for index in 0..(MAX_ORDER - MIN_ORDER) { 608 let mut pagelist: PageList<A> = Self::read_page(self.free_area[index]); 609 loop { 610 free_page_num += pagelist.entry_num << index; 611 if pagelist.next_page.is_null() { 612 break; 613 } 614 pagelist = Self::read_page(pagelist.next_page); 615 } 616 } 617 let free = PageFrameCount::new(free_page_num); 618 PageFrameUsage::new(self.total - free, self.total) 619 } 620 } 621 622 /// 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) 623 fn log2(x: usize) -> usize { 624 let leading_zeros = x.leading_zeros() as usize; 625 let log2x = 63 - leading_zeros; 626 return log2x; 627 } 628