xref: /DragonOS/kernel/src/mm/page.rs (revision 06560afa2aa4db352526f4be8b6262719b8b3eac)
1 use core::{
2     fmt::{self, Debug, Error, Formatter},
3     marker::PhantomData,
4     mem,
5     ops::Add,
6     sync::atomic::{compiler_fence, Ordering},
7 };
8 
9 use alloc::sync::Arc;
10 use hashbrown::{HashMap, HashSet};
11 
12 use crate::{
13     arch::{interrupt::ipi::send_ipi, MMArch},
14     exception::ipi::{IpiKind, IpiTarget},
15     kerror, kwarn,
16     libs::spinlock::{SpinLock, SpinLockGuard},
17 };
18 
19 use super::{
20     allocator::page_frame::FrameAllocator, syscall::ProtFlags, ucontext::LockedVMA,
21     MemoryManagementArch, PageTableKind, PhysAddr, VirtAddr,
22 };
23 
24 pub const PAGE_4K_SHIFT: usize = 12;
25 #[allow(dead_code)]
26 pub const PAGE_2M_SHIFT: usize = 21;
27 pub const PAGE_1G_SHIFT: usize = 30;
28 
29 /// 全局物理页信息管理器
30 pub static mut PAGE_MANAGER: Option<SpinLock<PageManager>> = None;
31 
32 /// 初始化PAGE_MANAGER
33 pub fn page_manager_init() {
34     kinfo!("page_manager_init");
35     let page_manager = SpinLock::new(PageManager::new());
36 
37     compiler_fence(Ordering::SeqCst);
38     unsafe { PAGE_MANAGER = Some(page_manager) };
39     compiler_fence(Ordering::SeqCst);
40 
41     kinfo!("page_manager_init done");
42 }
43 
44 pub fn page_manager_lock_irasave() -> SpinLockGuard<'static, PageManager> {
45     unsafe { PAGE_MANAGER.as_ref().unwrap().lock_irqsave() }
46 }
47 
48 // 物理页管理器
49 pub struct PageManager {
50     phys2page: HashMap<PhysAddr, Page>,
51 }
52 
53 impl PageManager {
54     pub fn new() -> Self {
55         Self {
56             phys2page: HashMap::new(),
57         }
58     }
59 
60     pub fn get_mut(&mut self, paddr: &PhysAddr) -> &mut Page {
61         self.phys2page.get_mut(paddr).unwrap()
62     }
63 
64     pub fn insert(&mut self, paddr: PhysAddr, page: Page) {
65         self.phys2page.insert(paddr, page);
66     }
67 
68     pub fn remove_page(&mut self, paddr: &PhysAddr) {
69         self.phys2page.remove(paddr);
70     }
71 }
72 
73 /// 物理页面信息
74 pub struct Page {
75     /// 映射计数
76     map_count: usize,
77     /// 是否为共享页
78     shared: bool,
79     /// 映射到当前page的VMA
80     anon_vma: HashSet<Arc<LockedVMA>>,
81 }
82 
83 impl Page {
84     pub fn new(shared: bool) -> Self {
85         Self {
86             map_count: 0,
87             shared,
88             anon_vma: HashSet::new(),
89         }
90     }
91 
92     /// 将vma加入anon_vma
93     pub fn insert_vma(&mut self, vma: Arc<LockedVMA>) {
94         self.anon_vma.insert(vma);
95         self.map_count += 1;
96     }
97 
98     /// 将vma从anon_vma中删去
99     pub fn remove_vma(&mut self, vma: &LockedVMA) {
100         self.anon_vma.remove(vma);
101         self.map_count -= 1;
102     }
103 
104     /// 判断当前物理页是否能被回
105     pub fn can_deallocate(&self) -> bool {
106         self.map_count == 0 && !self.shared
107     }
108 }
109 
110 #[derive(Debug)]
111 pub struct PageTable<Arch> {
112     /// 当前页表表示的虚拟地址空间的起始地址
113     base: VirtAddr,
114     /// 当前页表所在的物理地址
115     phys: PhysAddr,
116     /// 当前页表的层级(请注意,最顶级页表的level为[Arch::PAGE_LEVELS - 1])
117     level: usize,
118     phantom: PhantomData<Arch>,
119 }
120 
121 #[allow(dead_code)]
122 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageTable<Arch> {
123     pub unsafe fn new(base: VirtAddr, phys: PhysAddr, level: usize) -> Self {
124         Self {
125             base,
126             phys,
127             level,
128             phantom: PhantomData,
129         }
130     }
131 
132     /// 获取顶级页表
133     ///
134     /// ## 参数
135     ///
136     /// - table_kind 页表类型
137     ///
138     /// ## 返回值
139     ///
140     /// 返回顶级页表
141     pub unsafe fn top_level_table(table_kind: PageTableKind) -> Self {
142         return Self::new(
143             VirtAddr::new(0),
144             Arch::table(table_kind),
145             Arch::PAGE_LEVELS - 1,
146         );
147     }
148 
149     /// 获取当前页表的物理地址
150     #[inline(always)]
151     pub fn phys(&self) -> PhysAddr {
152         self.phys
153     }
154 
155     /// 当前页表表示的虚拟地址空间的起始地址
156     #[inline(always)]
157     pub fn base(&self) -> VirtAddr {
158         self.base
159     }
160 
161     /// 获取当前页表的层级
162     #[inline(always)]
163     pub fn level(&self) -> usize {
164         self.level
165     }
166 
167     /// 获取当前页表自身所在的虚拟地址
168     #[inline(always)]
169     pub unsafe fn virt(&self) -> VirtAddr {
170         return Arch::phys_2_virt(self.phys).unwrap();
171     }
172 
173     /// 获取第i个页表项所表示的虚拟内存空间的起始地址
174     pub fn entry_base(&self, i: usize) -> Option<VirtAddr> {
175         if i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM {
176             let shift = self.level * Arch::PAGE_ENTRY_SHIFT + Arch::PAGE_SHIFT;
177             return Some(self.base.add(i << shift));
178         } else {
179             return None;
180         }
181     }
182 
183     /// 获取当前页表的第i个页表项所在的虚拟地址(注意与entry_base进行区分)
184     pub unsafe fn entry_virt(&self, i: usize) -> Option<VirtAddr> {
185         if i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM {
186             return Some(self.virt().add(i * Arch::PAGE_ENTRY_SIZE));
187         } else {
188             return None;
189         }
190     }
191 
192     /// 获取当前页表的第i个页表项
193     pub unsafe fn entry(&self, i: usize) -> Option<PageEntry<Arch>> {
194         let entry_virt = self.entry_virt(i)?;
195         return Some(PageEntry::from_usize(Arch::read::<usize>(entry_virt)));
196     }
197 
198     /// 设置当前页表的第i个页表项
199     pub unsafe fn set_entry(&self, i: usize, entry: PageEntry<Arch>) -> Option<()> {
200         let entry_virt = self.entry_virt(i)?;
201         Arch::write::<usize>(entry_virt, entry.data());
202         return Some(());
203     }
204 
205     /// 判断当前页表的第i个页表项是否已经填写了值
206     ///
207     /// ## 参数
208     /// - Some(true) 如果已经填写了值
209     /// - Some(false) 如果未填写值
210     /// - None 如果i超出了页表项的范围
211     pub fn entry_mapped(&self, i: usize) -> Option<bool> {
212         let etv = unsafe { self.entry_virt(i) }?;
213         if unsafe { Arch::read::<usize>(etv) } != 0 {
214             return Some(true);
215         } else {
216             return Some(false);
217         }
218     }
219 
220     /// 根据虚拟地址,获取对应的页表项在页表中的下标
221     ///
222     /// ## 参数
223     ///
224     /// - addr: 虚拟地址
225     ///
226     /// ## 返回值
227     ///
228     /// 页表项在页表中的下标。如果addr不在当前页表所表示的虚拟地址空间中,则返回None
229     pub unsafe fn index_of(&self, addr: VirtAddr) -> Option<usize> {
230         let addr = VirtAddr::new(addr.data() & Arch::PAGE_ADDRESS_MASK);
231         let shift = self.level * Arch::PAGE_ENTRY_SHIFT + Arch::PAGE_SHIFT;
232 
233         let mask = (MMArch::PAGE_ENTRY_NUM << shift) - 1;
234         if addr < self.base || addr >= self.base.add(mask) {
235             return None;
236         } else {
237             return Some((addr.data() >> shift) & MMArch::PAGE_ENTRY_MASK);
238         }
239     }
240 
241     /// 获取第i个页表项指向的下一级页表
242     pub unsafe fn next_level_table(&self, index: usize) -> Option<Self> {
243         if self.level == 0 {
244             return None;
245         }
246 
247         // 返回下一级页表
248         return Some(PageTable::new(
249             self.entry_base(index)?,
250             self.entry(index)?.address().ok()?,
251             self.level - 1,
252         ));
253     }
254 }
255 
256 /// 页表项
257 #[derive(Copy, Clone)]
258 pub struct PageEntry<Arch> {
259     data: usize,
260     phantom: PhantomData<Arch>,
261 }
262 
263 impl<Arch> Debug for PageEntry<Arch> {
264     fn fmt(&self, f: &mut Formatter<'_>) -> Result<(), Error> {
265         f.write_fmt(format_args!("PageEntry({:#x})", self.data))
266     }
267 }
268 
269 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageEntry<Arch> {
270     #[inline(always)]
271     pub fn new(paddr: PhysAddr, flags: PageFlags<Arch>) -> Self {
272         Self {
273             data: MMArch::make_entry(paddr, flags.data()),
274             phantom: PhantomData,
275         }
276     }
277     #[inline(always)]
278     pub fn from_usize(data: usize) -> Self {
279         Self {
280             data,
281             phantom: PhantomData,
282         }
283     }
284 
285     #[inline(always)]
286     pub fn data(&self) -> usize {
287         self.data
288     }
289 
290     /// 获取当前页表项指向的物理地址
291     ///
292     /// ## 返回值
293     ///
294     /// - Ok(PhysAddr) 如果当前页面存在于物理内存中, 返回物理地址
295     /// - Err(PhysAddr) 如果当前页表项不存在, 返回物理地址
296     #[inline(always)]
297     pub fn address(&self) -> Result<PhysAddr, PhysAddr> {
298         let paddr: PhysAddr = {
299             #[cfg(target_arch = "x86_64")]
300             {
301                 PhysAddr::new(self.data & Arch::PAGE_ADDRESS_MASK)
302             }
303 
304             #[cfg(target_arch = "riscv64")]
305             {
306                 let ppn = ((self.data & (!((1 << 10) - 1))) >> 10) & ((1 << 54) - 1);
307                 super::allocator::page_frame::PhysPageFrame::from_ppn(ppn).phys_address()
308             }
309         };
310 
311         if self.present() {
312             Ok(paddr)
313         } else {
314             Err(paddr)
315         }
316     }
317 
318     #[inline(always)]
319     pub fn flags(&self) -> PageFlags<Arch> {
320         unsafe { PageFlags::from_data(self.data & Arch::ENTRY_FLAGS_MASK) }
321     }
322 
323     #[inline(always)]
324     pub fn set_flags(&mut self, flags: PageFlags<Arch>) {
325         self.data = (self.data & !Arch::ENTRY_FLAGS_MASK) | flags.data();
326     }
327 
328     #[inline(always)]
329     pub fn present(&self) -> bool {
330         return self.data & Arch::ENTRY_FLAG_PRESENT != 0;
331     }
332 }
333 
334 /// 页表项的标志位
335 #[derive(Copy, Clone, Hash)]
336 pub struct PageFlags<Arch> {
337     data: usize,
338     phantom: PhantomData<Arch>,
339 }
340 
341 #[allow(dead_code)]
342 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlags<Arch> {
343     #[inline(always)]
344     pub fn new() -> Self {
345         let mut r = unsafe {
346             Self::from_data(
347                 Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_PAGE
348                     | Arch::ENTRY_FLAG_READONLY
349                     | Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC,
350             )
351         };
352 
353         #[cfg(target_arch = "x86_64")]
354         {
355             if crate::arch::mm::X86_64MMArch::is_xd_reserved() {
356                 r = r.set_execute(true);
357             }
358         }
359 
360         return r;
361     }
362 
363     /// 根据ProtFlags生成PageFlags
364     ///
365     /// ## 参数
366     ///
367     /// - prot_flags: 页的保护标志
368     /// - user: 用户空间是否可访问
369     pub fn from_prot_flags(prot_flags: ProtFlags, user: bool) -> PageFlags<Arch> {
370         let flags: PageFlags<Arch> = PageFlags::new()
371             .set_user(user)
372             .set_execute(prot_flags.contains(ProtFlags::PROT_EXEC))
373             .set_write(prot_flags.contains(ProtFlags::PROT_WRITE));
374 
375         return flags;
376     }
377 
378     #[inline(always)]
379     pub fn data(&self) -> usize {
380         self.data
381     }
382 
383     #[inline(always)]
384     pub const unsafe fn from_data(data: usize) -> Self {
385         return Self {
386             data,
387             phantom: PhantomData,
388         };
389     }
390 
391     /// 为新页表的页表项设置默认值
392     ///
393     /// 默认值为:
394     /// - present
395     /// - read only
396     /// - kernel space
397     /// - no exec
398     #[inline(always)]
399     pub fn new_page_table(user: bool) -> Self {
400         return unsafe {
401             let r = {
402                 #[cfg(target_arch = "x86_64")]
403                 {
404                     Self::from_data(Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE | Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE)
405                 }
406 
407                 #[cfg(target_arch = "riscv64")]
408                 {
409                     // riscv64指向下一级页表的页表项,不应设置R/W/X权限位
410                     Self::from_data(Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE)
411                 }
412             };
413             if user {
414                 r.set_user(true)
415             } else {
416                 r
417             }
418         };
419     }
420 
421     /// 取得当前页表项的所有权,更新当前页表项的标志位,并返回更新后的页表项。
422     ///
423     /// ## 参数
424     /// - flag 要更新的标志位的值
425     /// - value 如果为true,那么将flag对应的位设置为1,否则设置为0
426     ///
427     /// ## 返回值
428     ///
429     /// 更新后的页表项
430     #[inline(always)]
431     #[must_use]
432     pub fn update_flags(mut self, flag: usize, value: bool) -> Self {
433         if value {
434             self.data |= flag;
435         } else {
436             self.data &= !flag;
437         }
438         return self;
439     }
440 
441     /// 判断当前页表项是否存在指定的flag(只有全部flag都存在才返回true)
442     #[inline(always)]
443     pub fn has_flag(&self, flag: usize) -> bool {
444         return self.data & flag == flag;
445     }
446 
447     #[inline(always)]
448     pub fn present(&self) -> bool {
449         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_PRESENT);
450     }
451 
452     /// 设置当前页表项的权限
453     ///
454     /// @param value 如果为true,那么将当前页表项的权限设置为用户态可访问
455     #[must_use]
456     #[inline(always)]
457     pub fn set_user(self, value: bool) -> Self {
458         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_USER, value);
459     }
460 
461     /// 用户态是否可以访问当前页表项
462     #[inline(always)]
463     pub fn has_user(&self) -> bool {
464         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_USER);
465     }
466 
467     /// 设置当前页表项的可写性, 如果为true,那么将当前页表项的权限设置为可写, 否则设置为只读
468     ///
469     /// ## 返回值
470     ///
471     /// 更新后的页表项.
472     ///
473     /// **请注意,**本函数会取得当前页表项的所有权,因此返回的页表项不是原来的页表项
474     #[must_use]
475     #[inline(always)]
476     pub fn set_write(self, value: bool) -> Self {
477         #[cfg(target_arch = "x86_64")]
478         {
479             // 有的架构同时具有可写和不可写的标志位,因此需要同时更新
480             return self
481                 .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READONLY, !value)
482                 .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE, value);
483         }
484 
485         #[cfg(target_arch = "riscv64")]
486         {
487             if value {
488                 return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE, true);
489             } else {
490                 return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READONLY, true);
491             }
492         }
493     }
494 
495     /// 当前页表项是否可写
496     #[inline(always)]
497     pub fn has_write(&self) -> bool {
498         // 有的架构同时具有可写和不可写的标志位,因此需要同时判断
499         return self.data & (Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE | Arch::ENTRY_FLAG_READONLY)
500             == Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE;
501     }
502 
503     /// 设置当前页表项的可执行性, 如果为true,那么将当前页表项的权限设置为可执行, 否则设置为不可执行
504     #[must_use]
505     #[inline(always)]
506     pub fn set_execute(self, mut value: bool) -> Self {
507         #[cfg(target_arch = "x86_64")]
508         {
509             // 如果xd位被保留,那么将可执行性设置为true
510             if crate::arch::mm::X86_64MMArch::is_xd_reserved() {
511                 value = true;
512             }
513         }
514 
515         // 有的架构同时具有可执行和不可执行的标志位,因此需要同时更新
516         return self
517             .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC, !value)
518             .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_EXEC, value);
519     }
520 
521     /// 当前页表项是否可执行
522     #[inline(always)]
523     pub fn has_execute(&self) -> bool {
524         // 有的架构同时具有可执行和不可执行的标志位,因此需要同时判断
525         return self.data & (Arch::ENTRY_FLAG_EXEC | Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC)
526             == Arch::ENTRY_FLAG_EXEC;
527     }
528 
529     /// 设置当前页表项的缓存策略
530     ///
531     /// ## 参数
532     ///
533     /// - value: 如果为true,那么将当前页表项的缓存策略设置为不缓存。
534     #[inline(always)]
535     pub fn set_page_cache_disable(self, value: bool) -> Self {
536         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE, value);
537     }
538 
539     /// 获取当前页表项的缓存策略
540     ///
541     /// ## 返回值
542     ///
543     /// 如果当前页表项的缓存策略为不缓存,那么返回true,否则返回false。
544     #[inline(always)]
545     pub fn has_page_cache_disable(&self) -> bool {
546         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE);
547     }
548 
549     /// 设置当前页表项的写穿策略
550     ///
551     /// ## 参数
552     ///
553     /// - value: 如果为true,那么将当前页表项的写穿策略设置为写穿。
554     #[inline(always)]
555     pub fn set_page_write_through(self, value: bool) -> Self {
556         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH, value);
557     }
558 
559     /// 获取当前页表项的写穿策略
560     ///
561     /// ## 返回值
562     ///
563     /// 如果当前页表项的写穿策略为写穿,那么返回true,否则返回false。
564     #[inline(always)]
565     pub fn has_page_write_through(&self) -> bool {
566         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH);
567     }
568 
569     /// MMIO内存的页表项标志
570     #[inline(always)]
571     pub fn mmio_flags() -> Self {
572         return Self::new()
573             .set_user(false)
574             .set_write(true)
575             .set_execute(true)
576             .set_page_cache_disable(true)
577             .set_page_write_through(true);
578     }
579 }
580 
581 impl<Arch: MemoryManagementArch> fmt::Debug for PageFlags<Arch> {
582     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
583         f.debug_struct("PageFlags")
584             .field("bits", &format_args!("{:#0x}", self.data))
585             .field("present", &self.present())
586             .field("has_write", &self.has_write())
587             .field("has_execute", &self.has_execute())
588             .field("has_user", &self.has_user())
589             .finish()
590     }
591 }
592 
593 /// 页表映射器
594 #[derive(Hash)]
595 pub struct PageMapper<Arch, F> {
596     /// 页表类型
597     table_kind: PageTableKind,
598     /// 根页表物理地址
599     table_paddr: PhysAddr,
600     /// 页分配器
601     frame_allocator: F,
602     phantom: PhantomData<fn() -> Arch>,
603 }
604 
605 impl<Arch: MemoryManagementArch, F: FrameAllocator> PageMapper<Arch, F> {
606     /// 创建新的页面映射器
607     ///
608     /// ## 参数
609     /// - table_kind 页表类型
610     /// - table_paddr 根页表物理地址
611     /// - allocator 页分配器
612     ///
613     /// ## 返回值
614     ///
615     /// 页面映射器
616     pub unsafe fn new(table_kind: PageTableKind, table_paddr: PhysAddr, allocator: F) -> Self {
617         return Self {
618             table_kind,
619             table_paddr,
620             frame_allocator: allocator,
621             phantom: PhantomData,
622         };
623     }
624 
625     /// 创建页表,并为这个页表创建页面映射器
626     pub unsafe fn create(table_kind: PageTableKind, mut allocator: F) -> Option<Self> {
627         let table_paddr = allocator.allocate_one()?;
628         // 清空页表
629         let table_vaddr = Arch::phys_2_virt(table_paddr)?;
630         Arch::write_bytes(table_vaddr, 0, Arch::PAGE_SIZE);
631         return Some(Self::new(table_kind, table_paddr, allocator));
632     }
633 
634     /// 获取当前页表的页面映射器
635     #[inline(always)]
636     pub unsafe fn current(table_kind: PageTableKind, allocator: F) -> Self {
637         let table_paddr = Arch::table(table_kind);
638         return Self::new(table_kind, table_paddr, allocator);
639     }
640 
641     /// 判断当前页表分配器所属的页表是否是当前页表
642     #[inline(always)]
643     pub fn is_current(&self) -> bool {
644         return unsafe { self.table().phys() == Arch::table(self.table_kind) };
645     }
646 
647     /// 将当前页表分配器所属的页表设置为当前页表
648     #[inline(always)]
649     pub unsafe fn make_current(&self) {
650         Arch::set_table(self.table_kind, self.table_paddr);
651     }
652 
653     /// 获取当前页表分配器所属的根页表的结构体
654     #[inline(always)]
655     pub fn table(&self) -> PageTable<Arch> {
656         // 由于只能通过new方法创建PageMapper,因此这里假定table_paddr是有效的
657         return unsafe {
658             PageTable::new(VirtAddr::new(0), self.table_paddr, Arch::PAGE_LEVELS - 1)
659         };
660     }
661 
662     /// 获取当前PageMapper所对应的页分配器实例的引用
663     #[inline(always)]
664     #[allow(dead_code)]
665     pub fn allocator_ref(&self) -> &F {
666         return &self.frame_allocator;
667     }
668 
669     /// 获取当前PageMapper所对应的页分配器实例的可变引用
670     #[inline(always)]
671     pub fn allocator_mut(&mut self) -> &mut F {
672         return &mut self.frame_allocator;
673     }
674 
675     /// 从当前PageMapper的页分配器中分配一个物理页,并将其映射到指定的虚拟地址
676     pub unsafe fn map(
677         &mut self,
678         virt: VirtAddr,
679         flags: PageFlags<Arch>,
680     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
681         compiler_fence(Ordering::SeqCst);
682         let phys: PhysAddr = self.frame_allocator.allocate_one()?;
683         compiler_fence(Ordering::SeqCst);
684 
685         page_manager_lock_irasave().insert(phys, Page::new(false));
686         return self.map_phys(virt, phys, flags);
687     }
688 
689     /// 映射一个物理页到指定的虚拟地址
690     pub unsafe fn map_phys(
691         &mut self,
692         virt: VirtAddr,
693         phys: PhysAddr,
694         flags: PageFlags<Arch>,
695     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
696         // 验证虚拟地址和物理地址是否对齐
697         if !(virt.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE) && phys.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE)) {
698             kerror!(
699                 "Try to map unaligned page: virt={:?}, phys={:?}",
700                 virt,
701                 phys
702             );
703             return None;
704         }
705 
706         let virt = VirtAddr::new(virt.data() & (!Arch::PAGE_NEGATIVE_MASK));
707 
708         // TODO: 验证flags是否合法
709 
710         // 创建页表项
711         let entry = PageEntry::new(phys, flags);
712         let mut table = self.table();
713         loop {
714             let i = table.index_of(virt)?;
715             assert!(i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM);
716             if table.level() == 0 {
717                 // todo: 检查是否已经映射
718                 // 现在不检查的原因是,刚刚启动系统时,内核会映射一些页。
719                 if table.entry_mapped(i)? {
720                     kwarn!("Page {:?} already mapped", virt);
721                 }
722 
723                 compiler_fence(Ordering::SeqCst);
724 
725                 table.set_entry(i, entry);
726                 compiler_fence(Ordering::SeqCst);
727                 return Some(PageFlush::new(virt));
728             } else {
729                 let next_table = table.next_level_table(i);
730                 if let Some(next_table) = next_table {
731                     table = next_table;
732                     // kdebug!("Mapping {:?} to next level table...", virt);
733                 } else {
734                     // 分配下一级页表
735                     let frame = self.frame_allocator.allocate_one()?;
736 
737                     // 清空这个页帧
738                     MMArch::write_bytes(MMArch::phys_2_virt(frame).unwrap(), 0, MMArch::PAGE_SIZE);
739 
740                     // 设置页表项的flags
741                     let flags: PageFlags<Arch> =
742                         PageFlags::new_page_table(virt.kind() == PageTableKind::User);
743 
744                     // kdebug!("Flags: {:?}", flags);
745 
746                     // 把新分配的页表映射到当前页表
747                     table.set_entry(i, PageEntry::new(frame, flags));
748 
749                     // 获取新分配的页表
750                     table = table.next_level_table(i)?;
751                 }
752             }
753         }
754     }
755 
756     /// 将物理地址映射到具有线性偏移量的虚拟地址
757     #[allow(dead_code)]
758     pub unsafe fn map_linearly(
759         &mut self,
760         phys: PhysAddr,
761         flags: PageFlags<Arch>,
762     ) -> Option<(VirtAddr, PageFlush<Arch>)> {
763         let virt: VirtAddr = Arch::phys_2_virt(phys)?;
764         return self.map_phys(virt, phys, flags).map(|flush| (virt, flush));
765     }
766 
767     /// 修改虚拟地址的页表项的flags,并返回页表项刷新器
768     ///
769     /// 请注意,需要在修改完flags后,调用刷新器的flush方法,才能使修改生效
770     ///
771     /// ## 参数
772     /// - virt 虚拟地址
773     /// - flags 新的页表项的flags
774     ///
775     /// ## 返回值
776     ///
777     /// 如果修改成功,返回刷新器,否则返回None
778     pub unsafe fn remap(
779         &mut self,
780         virt: VirtAddr,
781         flags: PageFlags<Arch>,
782     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
783         return self
784             .visit(virt, |p1, i| {
785                 let mut entry = p1.entry(i)?;
786                 entry.set_flags(flags);
787                 p1.set_entry(i, entry);
788                 Some(PageFlush::new(virt))
789             })
790             .flatten();
791     }
792 
793     /// 根据虚拟地址,查找页表,获取对应的物理地址和页表项的flags
794     ///
795     /// ## 参数
796     ///
797     /// - virt 虚拟地址
798     ///
799     /// ## 返回值
800     ///
801     /// 如果查找成功,返回物理地址和页表项的flags,否则返回None
802     pub fn translate(&self, virt: VirtAddr) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>)> {
803         let entry: PageEntry<Arch> = self.visit(virt, |p1, i| unsafe { p1.entry(i) })??;
804         let paddr = entry.address().ok()?;
805         let flags = entry.flags();
806         return Some((paddr, flags));
807     }
808 
809     /// 取消虚拟地址的映射,释放页面,并返回页表项刷新器
810     ///
811     /// 请注意,需要在取消映射后,调用刷新器的flush方法,才能使修改生效
812     ///
813     /// ## 参数
814     ///
815     /// - virt 虚拟地址
816     /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
817     ///
818     /// ## 返回值
819     /// 如果取消成功,返回刷新器,否则返回None
820     #[allow(dead_code)]
821     pub unsafe fn unmap(&mut self, virt: VirtAddr, unmap_parents: bool) -> Option<PageFlush<Arch>> {
822         let (paddr, _, flusher) = self.unmap_phys(virt, unmap_parents)?;
823         self.frame_allocator.free_one(paddr);
824         return Some(flusher);
825     }
826 
827     /// 取消虚拟地址的映射,并返回物理地址和页表项的flags
828     ///
829     /// ## 参数
830     ///
831     /// - vaddr 虚拟地址
832     /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
833     ///
834     /// ## 返回值
835     ///
836     /// 如果取消成功,返回物理地址和页表项的flags,否则返回None
837     pub unsafe fn unmap_phys(
838         &mut self,
839         virt: VirtAddr,
840         unmap_parents: bool,
841     ) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>, PageFlush<Arch>)> {
842         if !virt.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE) {
843             kerror!("Try to unmap unaligned page: virt={:?}", virt);
844             return None;
845         }
846 
847         let table = self.table();
848         return unmap_phys_inner(virt, &table, unmap_parents, self.allocator_mut())
849             .map(|(paddr, flags)| (paddr, flags, PageFlush::<Arch>::new(virt)));
850     }
851 
852     /// 在页表中,访问虚拟地址对应的页表项,并调用传入的函数F
853     fn visit<T>(
854         &self,
855         virt: VirtAddr,
856         f: impl FnOnce(&mut PageTable<Arch>, usize) -> T,
857     ) -> Option<T> {
858         let mut table = self.table();
859         unsafe {
860             loop {
861                 let i = table.index_of(virt)?;
862                 if table.level() == 0 {
863                     return Some(f(&mut table, i));
864                 } else {
865                     table = table.next_level_table(i)?;
866                 }
867             }
868         }
869     }
870 }
871 
872 /// 取消页面映射,返回被取消映射的页表项的:【物理地址】和【flags】
873 ///
874 /// ## 参数
875 ///
876 /// - vaddr 虚拟地址
877 /// - table 页表
878 /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
879 /// - allocator 页面分配器(如果页表从这个分配器分配,那么在取消映射时,也需要归还到这个分配器内)
880 ///
881 /// ## 返回值
882 ///
883 /// 如果取消成功,返回被取消映射的页表项的:【物理地址】和【flags】,否则返回None
884 unsafe fn unmap_phys_inner<Arch: MemoryManagementArch>(
885     vaddr: VirtAddr,
886     table: &PageTable<Arch>,
887     unmap_parents: bool,
888     allocator: &mut impl FrameAllocator,
889 ) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>)> {
890     // 获取页表项的索引
891     let i = table.index_of(vaddr)?;
892 
893     // 如果当前是最后一级页表,直接取消页面映射
894     if table.level() == 0 {
895         let entry = table.entry(i)?;
896         table.set_entry(i, PageEntry::from_usize(0));
897         return Some((entry.address().ok()?, entry.flags()));
898     }
899 
900     let subtable = table.next_level_table(i)?;
901     // 递归地取消映射
902     let result = unmap_phys_inner(vaddr, &subtable, unmap_parents, allocator)?;
903 
904     // TODO: This is a bad idea for architectures where the kernel mappings are done in the process tables,
905     // as these mappings may become out of sync
906     if unmap_parents {
907         // 如果子页表已经没有映射的页面了,就取消子页表的映射
908 
909         // 检查子页表中是否还有映射的页面
910         let x = (0..Arch::PAGE_ENTRY_NUM)
911             .map(|k| subtable.entry(k).expect("invalid page entry"))
912             .any(|e| e.present());
913         if !x {
914             // 如果没有,就取消子页表的映射
915             table.set_entry(i, PageEntry::from_usize(0));
916             // 释放子页表
917             allocator.free_one(subtable.phys());
918         }
919     }
920 
921     return Some(result);
922 }
923 
924 impl<Arch, F: Debug> Debug for PageMapper<Arch, F> {
925     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
926         f.debug_struct("PageMapper")
927             .field("table_paddr", &self.table_paddr)
928             .field("frame_allocator", &self.frame_allocator)
929             .finish()
930     }
931 }
932 
933 /// 页表刷新器的trait
934 pub trait Flusher<Arch: MemoryManagementArch> {
935     /// 取消对指定的page flusher的刷新
936     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>);
937 }
938 
939 /// 用于刷新某个虚拟地址的刷新器。这个刷新器一经产生,就必须调用flush()方法,
940 /// 否则会造成对页表的更改被忽略,这是不安全的
941 #[must_use = "The flusher must call the 'flush()', or the changes to page table will be unsafely ignored."]
942 pub struct PageFlush<Arch: MemoryManagementArch> {
943     virt: VirtAddr,
944     phantom: PhantomData<Arch>,
945 }
946 
947 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlush<Arch> {
948     pub fn new(virt: VirtAddr) -> Self {
949         return Self {
950             virt,
951             phantom: PhantomData,
952         };
953     }
954 
955     pub fn flush(self) {
956         unsafe { Arch::invalidate_page(self.virt) };
957     }
958 
959     /// 忽略掉这个刷新器
960     pub unsafe fn ignore(self) {
961         mem::forget(self);
962     }
963 }
964 
965 impl<Arch: MemoryManagementArch> Drop for PageFlush<Arch> {
966     fn drop(&mut self) {
967         unsafe {
968             MMArch::invalidate_page(self.virt);
969         }
970     }
971 }
972 
973 /// 用于刷新整个页表的刷新器。这个刷新器一经产生,就必须调用flush()方法,
974 /// 否则会造成对页表的更改被忽略,这是不安全的
975 #[must_use = "The flusher must call the 'flush()', or the changes to page table will be unsafely ignored."]
976 pub struct PageFlushAll<Arch: MemoryManagementArch> {
977     phantom: PhantomData<fn() -> Arch>,
978 }
979 
980 #[allow(dead_code)]
981 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlushAll<Arch> {
982     pub fn new() -> Self {
983         return Self {
984             phantom: PhantomData,
985         };
986     }
987 
988     pub fn flush(self) {
989         unsafe { Arch::invalidate_all() };
990     }
991 
992     /// 忽略掉这个刷新器
993     pub unsafe fn ignore(self) {
994         mem::forget(self);
995     }
996 }
997 
998 impl<Arch: MemoryManagementArch> Flusher<Arch> for PageFlushAll<Arch> {
999     /// 为page flush all 实现consume,消除对单个页面的刷新。(刷新整个页表了就不需要刷新单个页面了)
1000     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>) {
1001         unsafe { flush.ignore() };
1002     }
1003 }
1004 
1005 impl<Arch: MemoryManagementArch, T: Flusher<Arch> + ?Sized> Flusher<Arch> for &mut T {
1006     /// 允许一个flusher consume掉另一个flusher
1007     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>) {
1008         <T as Flusher<Arch>>::consume(self, flush);
1009     }
1010 }
1011 
1012 impl<Arch: MemoryManagementArch> Flusher<Arch> for () {
1013     fn consume(&mut self, _flush: PageFlush<Arch>) {}
1014 }
1015 
1016 impl<Arch: MemoryManagementArch> Drop for PageFlushAll<Arch> {
1017     fn drop(&mut self) {
1018         unsafe {
1019             Arch::invalidate_all();
1020         }
1021     }
1022 }
1023 
1024 /// 未在当前CPU上激活的页表的刷新器
1025 ///
1026 /// 如果页表没有在当前cpu上激活,那么需要发送ipi到其他核心,尝试在其他核心上刷新页表
1027 ///
1028 /// TODO: 这个方式很暴力,也许把它改成在指定的核心上刷新页表会更好。(可以测试一下开销)
1029 #[derive(Debug)]
1030 pub struct InactiveFlusher;
1031 
1032 impl InactiveFlusher {
1033     pub fn new() -> Self {
1034         return Self {};
1035     }
1036 }
1037 
1038 impl Flusher<MMArch> for InactiveFlusher {
1039     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<MMArch>) {
1040         unsafe {
1041             flush.ignore();
1042         }
1043     }
1044 }
1045 
1046 impl Drop for InactiveFlusher {
1047     fn drop(&mut self) {
1048         // 发送刷新页表的IPI
1049         send_ipi(IpiKind::FlushTLB, IpiTarget::Other);
1050     }
1051 }
1052 
1053 /// # 把一个地址向下对齐到页大小
1054 pub fn round_down_to_page_size(addr: usize) -> usize {
1055     addr & !(MMArch::PAGE_SIZE - 1)
1056 }
1057 
1058 /// # 把一个地址向上对齐到页大小
1059 pub fn round_up_to_page_size(addr: usize) -> usize {
1060     round_down_to_page_size(addr + MMArch::PAGE_SIZE - 1)
1061 }
1062