xref: /DragonOS/kernel/src/mm/page.rs (revision 7cc4a02c7ff7bafd798b185beb7b0c2986b9f32f)
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 crate::{
10     arch::{interrupt::ipi::send_ipi, MMArch},
11     exception::ipi::{IpiKind, IpiTarget},
12     kerror, kwarn,
13 };
14 
15 use super::{
16     allocator::page_frame::FrameAllocator, syscall::ProtFlags, MemoryManagementArch, PageTableKind,
17     PhysAddr, VirtAddr,
18 };
19 
20 #[derive(Debug)]
21 pub struct PageTable<Arch> {
22     /// 当前页表表示的虚拟地址空间的起始地址
23     base: VirtAddr,
24     /// 当前页表所在的物理地址
25     phys: PhysAddr,
26     /// 当前页表的层级(请注意,最顶级页表的level为[Arch::PAGE_LEVELS - 1])
27     level: usize,
28     phantom: PhantomData<Arch>,
29 }
30 
31 #[allow(dead_code)]
32 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageTable<Arch> {
33     pub unsafe fn new(base: VirtAddr, phys: PhysAddr, level: usize) -> Self {
34         Self {
35             base,
36             phys,
37             level,
38             phantom: PhantomData,
39         }
40     }
41 
42     /// 获取顶级页表
43     ///
44     /// ## 参数
45     ///
46     /// - table_kind 页表类型
47     ///
48     /// ## 返回值
49     ///
50     /// 返回顶级页表
51     pub unsafe fn top_level_table(table_kind: PageTableKind) -> Self {
52         return Self::new(
53             VirtAddr::new(0),
54             Arch::table(table_kind),
55             Arch::PAGE_LEVELS - 1,
56         );
57     }
58 
59     /// 获取当前页表的物理地址
60     #[inline(always)]
61     pub fn phys(&self) -> PhysAddr {
62         self.phys
63     }
64 
65     /// 当前页表表示的虚拟地址空间的起始地址
66     #[inline(always)]
67     pub fn base(&self) -> VirtAddr {
68         self.base
69     }
70 
71     /// 获取当前页表的层级
72     #[inline(always)]
73     pub fn level(&self) -> usize {
74         self.level
75     }
76 
77     /// 获取当前页表自身所在的虚拟地址
78     #[inline(always)]
79     pub unsafe fn virt(&self) -> VirtAddr {
80         return Arch::phys_2_virt(self.phys).unwrap();
81     }
82 
83     /// 获取第i个页表项所表示的虚拟内存空间的起始地址
84     pub fn entry_base(&self, i: usize) -> Option<VirtAddr> {
85         if i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM {
86             let shift = self.level * Arch::PAGE_ENTRY_SHIFT + Arch::PAGE_SHIFT;
87             return Some(self.base.add(i << shift));
88         } else {
89             return None;
90         }
91     }
92 
93     /// 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)
94     pub unsafe fn entry_virt(&self, i: usize) -> Option<VirtAddr> {
95         if i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM {
96             return Some(self.virt().add(i * Arch::PAGE_ENTRY_SIZE));
97         } else {
98             return None;
99         }
100     }
101 
102     /// 获取当前页表的第i个页表项
103     pub unsafe fn entry(&self, i: usize) -> Option<PageEntry<Arch>> {
104         let entry_virt = self.entry_virt(i)?;
105         return Some(PageEntry::new(Arch::read::<usize>(entry_virt)));
106     }
107 
108     /// 设置当前页表的第i个页表项
109     pub unsafe fn set_entry(&self, i: usize, entry: PageEntry<Arch>) -> Option<()> {
110         let entry_virt = self.entry_virt(i)?;
111         Arch::write::<usize>(entry_virt, entry.data());
112         return Some(());
113     }
114 
115     /// 判断当前页表的第i个页表项是否已经填写了值
116     ///
117     /// ## 参数
118     /// - Some(true) 如果已经填写了值
119     /// - Some(false) 如果未填写值
120     /// - None 如果i超出了页表项的范围
121     pub fn entry_mapped(&self, i: usize) -> Option<bool> {
122         let etv = unsafe { self.entry_virt(i) }?;
123         if unsafe { Arch::read::<usize>(etv) } != 0 {
124             return Some(true);
125         } else {
126             return Some(false);
127         }
128     }
129 
130     /// 根据虚拟地址,获取对应的页表项在页表中的下标
131     ///
132     /// ## 参数
133     ///
134     /// - addr: 虚拟地址
135     ///
136     /// ## 返回值
137     ///
138     /// 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
139     pub unsafe fn index_of(&self, addr: VirtAddr) -> Option<usize> {
140         let addr = VirtAddr::new(addr.data() & Arch::PAGE_ADDRESS_MASK);
141         let shift = self.level * Arch::PAGE_ENTRY_SHIFT + Arch::PAGE_SHIFT;
142 
143         let mask = (MMArch::PAGE_ENTRY_NUM << shift) - 1;
144         if addr < self.base || addr >= self.base.add(mask) {
145             return None;
146         } else {
147             return Some((addr.data() >> shift) & MMArch::PAGE_ENTRY_MASK);
148         }
149     }
150 
151     /// 获取第i个页表项指向的下一级页表
152     pub unsafe fn next_level_table(&self, index: usize) -> Option<Self> {
153         if self.level == 0 {
154             return None;
155         }
156 
157         // 返回下一级页表
158         return Some(PageTable::new(
159             self.entry_base(index)?,
160             self.entry(index)?.address().ok()?,
161             self.level - 1,
162         ));
163     }
164 }
165 
166 /// 页表项
167 #[derive(Copy, Clone)]
168 pub struct PageEntry<Arch> {
169     data: usize,
170     phantom: PhantomData<Arch>,
171 }
172 
173 impl<Arch> Debug for PageEntry<Arch> {
174     fn fmt(&self, f: &mut Formatter<'_>) -> Result<(), Error> {
175         f.write_fmt(format_args!("PageEntry({:#x})", self.data))
176     }
177 }
178 
179 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageEntry<Arch> {
180     #[inline(always)]
181     pub fn new(data: usize) -> Self {
182         Self {
183             data,
184             phantom: PhantomData,
185         }
186     }
187 
188     #[inline(always)]
189     pub fn data(&self) -> usize {
190         self.data
191     }
192 
193     /// 获取当前页表项指向的物理地址
194     ///
195     /// ## 返回值
196     ///
197     /// - Ok(PhysAddr) 如果当前页面存在于物理内存中, 返回物理地址
198     /// - Err(PhysAddr) 如果当前页表项不存在, 返回物理地址
199     #[inline(always)]
200     pub fn address(&self) -> Result<PhysAddr, PhysAddr> {
201         let paddr = PhysAddr::new(self.data & Arch::PAGE_ADDRESS_MASK);
202 
203         if self.present() {
204             Ok(paddr)
205         } else {
206             Err(paddr)
207         }
208     }
209 
210     #[inline(always)]
211     pub fn flags(&self) -> PageFlags<Arch> {
212         unsafe { PageFlags::from_data(self.data & Arch::ENTRY_FLAGS_MASK) }
213     }
214 
215     #[inline(always)]
216     pub fn set_flags(&mut self, flags: PageFlags<Arch>) {
217         self.data = (self.data & !Arch::ENTRY_FLAGS_MASK) | flags.data();
218     }
219 
220     #[inline(always)]
221     pub fn present(&self) -> bool {
222         return self.data & Arch::ENTRY_FLAG_PRESENT != 0;
223     }
224 }
225 
226 /// 页表项的标志位
227 #[derive(Copy, Clone, Hash)]
228 pub struct PageFlags<Arch> {
229     data: usize,
230     phantom: PhantomData<Arch>,
231 }
232 
233 #[allow(dead_code)]
234 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlags<Arch> {
235     #[inline(always)]
236     pub fn new() -> Self {
237         let mut r = unsafe {
238             Self::from_data(
239                 Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_PAGE
240                     | Arch::ENTRY_FLAG_READONLY
241                     | Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC,
242             )
243         };
244 
245         #[cfg(target_arch = "x86_64")]
246         {
247             if crate::arch::mm::X86_64MMArch::is_xd_reserved() {
248                 r = r.set_execute(true);
249             }
250         }
251 
252         return r;
253     }
254 
255     /// 根据ProtFlags生成PageFlags
256     ///
257     /// ## 参数
258     ///
259     /// - prot_flags: 页的保护标志
260     /// - user: 用户空间是否可访问
261     pub fn from_prot_flags(prot_flags: ProtFlags, user: bool) -> PageFlags<Arch> {
262         let flags: PageFlags<Arch> = PageFlags::new()
263             .set_user(user)
264             .set_execute(prot_flags.contains(ProtFlags::PROT_EXEC))
265             .set_write(prot_flags.contains(ProtFlags::PROT_WRITE));
266 
267         return flags;
268     }
269 
270     #[inline(always)]
271     pub fn data(&self) -> usize {
272         self.data
273     }
274 
275     #[inline(always)]
276     pub const unsafe fn from_data(data: usize) -> Self {
277         return Self {
278             data: data,
279             phantom: PhantomData,
280         };
281     }
282 
283     /// 为新页表的页表项设置默认值
284     ///
285     /// 默认值为:
286     /// - present
287     /// - read only
288     /// - kernel space
289     /// - no exec
290     #[inline(always)]
291     pub fn new_page_table(user: bool) -> Self {
292         return unsafe {
293             let r = Self::from_data(Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE | Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE);
294             if user {
295                 r.set_user(true)
296             } else {
297                 r
298             }
299         };
300     }
301 
302     /// 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。
303     ///
304     /// ## 参数
305     /// - flag 要更新的标志位的值
306     /// - value 如果为true,那么将flag对应的位设置为1,否则设置为0
307     ///
308     /// ## 返回值
309     ///
310     /// 更新后的页表项
311     #[inline(always)]
312     #[must_use]
313     pub fn update_flags(mut self, flag: usize, value: bool) -> Self {
314         if value {
315             self.data |= flag;
316         } else {
317             self.data &= !flag;
318         }
319         return self;
320     }
321 
322     /// 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)
323     #[inline(always)]
324     pub fn has_flag(&self, flag: usize) -> bool {
325         return self.data & flag == flag;
326     }
327 
328     #[inline(always)]
329     pub fn present(&self) -> bool {
330         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_PRESENT);
331     }
332 
333     /// 设置当前页表项的权限
334     ///
335     /// @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
336     #[must_use]
337     #[inline(always)]
338     pub fn set_user(self, value: bool) -> Self {
339         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_USER, value);
340     }
341 
342     /// 用户态是否可以访问当前页表项
343     #[inline(always)]
344     pub fn has_user(&self) -> bool {
345         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_USER);
346     }
347 
348     /// 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
349     ///
350     /// ## 返回值
351     ///
352     /// 更新后的页表项.
353     ///
354     /// **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
355     #[must_use]
356     #[inline(always)]
357     pub fn set_write(self, value: bool) -> Self {
358         // 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
359         return self
360             .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READONLY, !value)
361             .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE, value);
362     }
363 
364     /// 当前页表项是否可写
365     #[inline(always)]
366     pub fn has_write(&self) -> bool {
367         // 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
368         return self.data & (Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE | Arch::ENTRY_FLAG_READONLY)
369             == Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE;
370     }
371 
372     /// 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
373     #[must_use]
374     #[inline(always)]
375     pub fn set_execute(self, mut value: bool) -> Self {
376         #[cfg(target_arch = "x86_64")]
377         {
378             // 如果xd位被保留,那么将可执行性设置为true
379             if crate::arch::mm::X86_64MMArch::is_xd_reserved() {
380                 value = true;
381             }
382         }
383 
384         // 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
385         return self
386             .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC, !value)
387             .update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_EXEC, value);
388     }
389 
390     /// 当前页表项是否可执行
391     #[inline(always)]
392     pub fn has_execute(&self) -> bool {
393         // 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
394         return self.data & (Arch::ENTRY_FLAG_EXEC | Arch::ENTRY_FLAG_NO_EXEC)
395             == Arch::ENTRY_FLAG_EXEC;
396     }
397 
398     /// 设置当前页表项的缓存策略
399     ///
400     /// ## 参数
401     ///
402     /// - value: 如果为true,那么将当前页表项的缓存策略设置为不缓存。
403     #[inline(always)]
404     pub fn set_page_cache_disable(self, value: bool) -> Self {
405         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE, value);
406     }
407 
408     /// 获取当前页表项的缓存策略
409     ///
410     /// ## 返回值
411     ///
412     /// 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。
413     #[inline(always)]
414     pub fn has_page_cache_disable(&self) -> bool {
415         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_CACHE_DISABLE);
416     }
417 
418     /// 设置当前页表项的写穿策略
419     ///
420     /// ## 参数
421     ///
422     /// - value: 如果为true,那么将当前页表项的写穿策略设置为写穿。
423     #[inline(always)]
424     pub fn set_page_write_through(self, value: bool) -> Self {
425         return self.update_flags(Arch::ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH, value);
426     }
427 
428     /// 获取当前页表项的写穿策略
429     ///
430     /// ## 返回值
431     ///
432     /// 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。
433     #[inline(always)]
434     pub fn has_page_write_through(&self) -> bool {
435         return self.has_flag(Arch::ENTRY_FLAG_WRITE_THROUGH);
436     }
437 
438     /// MMIO内存的页表项标志
439     #[inline(always)]
440     pub fn mmio_flags() -> Self {
441         return Self::new()
442             .set_user(false)
443             .set_write(true)
444             .set_execute(true)
445             .set_page_cache_disable(true)
446             .set_page_write_through(true);
447     }
448 }
449 
450 impl<Arch: MemoryManagementArch> fmt::Debug for PageFlags<Arch> {
451     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
452         f.debug_struct("PageFlags")
453             .field("bits", &format_args!("{:#0x}", self.data))
454             .field("present", &self.present())
455             .field("has_write", &self.has_write())
456             .field("has_execute", &self.has_execute())
457             .field("has_user", &self.has_user())
458             .finish()
459     }
460 }
461 
462 /// 页表映射器
463 #[derive(Hash)]
464 pub struct PageMapper<Arch, F> {
465     /// 页表类型
466     table_kind: PageTableKind,
467     /// 根页表物理地址
468     table_paddr: PhysAddr,
469     /// 页分配器
470     frame_allocator: F,
471     phantom: PhantomData<fn() -> Arch>,
472 }
473 
474 impl<Arch: MemoryManagementArch, F: FrameAllocator> PageMapper<Arch, F> {
475     /// 创建新的页面映射器
476     ///
477     /// ## 参数
478     /// - table_kind 页表类型
479     /// - table_paddr 根页表物理地址
480     /// - allocator 页分配器
481     ///
482     /// ## 返回值
483     ///
484     /// 页面映射器
485     pub unsafe fn new(table_kind: PageTableKind, table_paddr: PhysAddr, allocator: F) -> Self {
486         return Self {
487             table_kind,
488             table_paddr,
489             frame_allocator: allocator,
490             phantom: PhantomData,
491         };
492     }
493 
494     /// 创建页表,并为这个页表创建页面映射器
495     pub unsafe fn create(table_kind: PageTableKind, mut allocator: F) -> Option<Self> {
496         let table_paddr = allocator.allocate_one()?;
497         // 清空页表
498         let table_vaddr = Arch::phys_2_virt(table_paddr)?;
499         Arch::write_bytes(table_vaddr, 0, Arch::PAGE_SIZE);
500         return Some(Self::new(table_kind, table_paddr, allocator));
501     }
502 
503     /// 获取当前页表的页面映射器
504     #[inline(always)]
505     pub unsafe fn current(table_kind: PageTableKind, allocator: F) -> Self {
506         let table_paddr = Arch::table(table_kind);
507         return Self::new(table_kind, table_paddr, allocator);
508     }
509 
510     /// 判断当前页表分配器所属的页表是否是当前页表
511     #[inline(always)]
512     pub fn is_current(&self) -> bool {
513         return unsafe { self.table().phys() == Arch::table(self.table_kind) };
514     }
515 
516     /// 将当前页表分配器所属的页表设置为当前页表
517     #[inline(always)]
518     pub unsafe fn make_current(&self) {
519         Arch::set_table(self.table_kind, self.table_paddr);
520     }
521 
522     /// 获取当前页表分配器所属的根页表的结构体
523     #[inline(always)]
524     pub fn table(&self) -> PageTable<Arch> {
525         // 由于只能通过new方法创建PageMapper,因此这里假定table_paddr是有效的
526         return unsafe {
527             PageTable::new(VirtAddr::new(0), self.table_paddr, Arch::PAGE_LEVELS - 1)
528         };
529     }
530 
531     /// 获取当前PageMapper所对应的页分配器实例的引用
532     #[inline(always)]
533     #[allow(dead_code)]
534     pub fn allocator_ref(&self) -> &F {
535         return &self.frame_allocator;
536     }
537 
538     /// 获取当前PageMapper所对应的页分配器实例的可变引用
539     #[inline(always)]
540     pub fn allocator_mut(&mut self) -> &mut F {
541         return &mut self.frame_allocator;
542     }
543 
544     /// 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
545     pub unsafe fn map(
546         &mut self,
547         virt: VirtAddr,
548         flags: PageFlags<Arch>,
549     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
550         compiler_fence(Ordering::SeqCst);
551         let phys: PhysAddr = self.frame_allocator.allocate_one()?;
552         compiler_fence(Ordering::SeqCst);
553         return self.map_phys(virt, phys, flags);
554     }
555 
556     /// 映射一个物理页到指定的虚拟地址
557     pub unsafe fn map_phys(
558         &mut self,
559         virt: VirtAddr,
560         phys: PhysAddr,
561         flags: PageFlags<Arch>,
562     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
563         // 验证虚拟地址和物理地址是否对齐
564         if !(virt.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE) && phys.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE)) {
565             kerror!(
566                 "Try to map unaligned page: virt={:?}, phys={:?}",
567                 virt,
568                 phys
569             );
570             return None;
571         }
572         let virt = VirtAddr::new(virt.data() & (!Arch::PAGE_NEGATIVE_MASK));
573 
574         // TODO: 验证flags是否合法
575 
576         // 创建页表项
577         let entry = PageEntry::new(phys.data() | flags.data());
578         let mut table = self.table();
579         loop {
580             let i = table.index_of(virt)?;
581             assert!(i < Arch::PAGE_ENTRY_NUM);
582             if table.level() == 0 {
583                 // todo: 检查是否已经映射
584                 // 现在不检查的原因是,刚刚启动系统时,内核会映射一些页。
585                 if table.entry_mapped(i)? == true {
586                     kwarn!("Page {:?} already mapped", virt);
587                 }
588                 // kdebug!("Mapping {:?} to {:?}, i = {i}, entry={:?}, flags={:?}", virt, phys, entry, flags);
589                 compiler_fence(Ordering::SeqCst);
590                 table.set_entry(i, entry);
591                 compiler_fence(Ordering::SeqCst);
592                 return Some(PageFlush::new(virt));
593             } else {
594                 let next_table = table.next_level_table(i);
595                 if let Some(next_table) = next_table {
596                     table = next_table;
597                     // kdebug!("Mapping {:?} to next level table...", virt);
598                 } else {
599                     // kdebug!("Allocating next level table for {:?}..., i={i}", virt);
600                     // 分配下一级页表
601                     let frame = self.frame_allocator.allocate_one()?;
602                     // 清空这个页帧
603                     MMArch::write_bytes(MMArch::phys_2_virt(frame).unwrap(), 0, MMArch::PAGE_SIZE);
604 
605                     // 设置页表项的flags
606                     // let flags = Arch::ENTRY_FLAG_READWRITE
607                     //     | Arch::ENTRY_FLAG_DEFAULT_TABLE
608                     //     | if virt.kind() == PageTableKind::User {
609                     //         Arch::ENTRY_FLAG_USER
610                     //     } else {
611                     //         0
612                     //     };
613                     let flags: PageFlags<MMArch> =
614                         PageFlags::new_page_table(virt.kind() == PageTableKind::User);
615 
616                     // kdebug!("Flags: {:?}", flags);
617 
618                     // 把新分配的页表映射到当前页表
619                     table.set_entry(i, PageEntry::new(frame.data() | flags.data()));
620 
621                     // 获取新分配的页表
622                     table = table.next_level_table(i)?;
623                 }
624             }
625         }
626     }
627 
628     /// 将物理地址映射到具有线性偏移量的虚拟地址
629     #[allow(dead_code)]
630     pub unsafe fn map_linearly(
631         &mut self,
632         phys: PhysAddr,
633         flags: PageFlags<Arch>,
634     ) -> Option<(VirtAddr, PageFlush<Arch>)> {
635         let virt: VirtAddr = Arch::phys_2_virt(phys)?;
636         return self.map_phys(virt, phys, flags).map(|flush| (virt, flush));
637     }
638 
639     /// 修改虚拟地址的页表项的flags,并返回页表项刷新器
640     ///
641     /// 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
642     ///
643     /// ## 参数
644     /// - virt 虚拟地址
645     /// - flags 新的页表项的flags
646     ///
647     /// ## 返回值
648     ///
649     /// 如果修改成功,返回刷新器,否则返回None
650     pub unsafe fn remap(
651         &mut self,
652         virt: VirtAddr,
653         flags: PageFlags<Arch>,
654     ) -> Option<PageFlush<Arch>> {
655         return self
656             .visit(virt, |p1, i| {
657                 let mut entry = p1.entry(i)?;
658                 entry.set_flags(flags);
659                 p1.set_entry(i, entry);
660                 Some(PageFlush::new(virt))
661             })
662             .flatten();
663     }
664 
665     /// 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
666     ///
667     /// ## 参数
668     ///
669     /// - virt 虚拟地址
670     ///
671     /// ## 返回值
672     ///
673     /// 如果查找成功,返回物理地址和页表项的flags,否则返回None
674     pub fn translate(&self, virt: VirtAddr) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>)> {
675         let entry: PageEntry<Arch> = self.visit(virt, |p1, i| unsafe { p1.entry(i) })??;
676         let paddr = entry.address().ok()?;
677         let flags = entry.flags();
678         return Some((paddr, flags));
679     }
680 
681     /// 取消虚拟地址的映射,释放页面,并返回页表项刷新器
682     ///
683     /// 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
684     ///
685     /// ## 参数
686     ///
687     /// - virt 虚拟地址
688     /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
689     ///
690     /// ## 返回值
691     /// 如果取消成功,返回刷新器,否则返回None
692     pub unsafe fn unmap(&mut self, virt: VirtAddr, unmap_parents: bool) -> Option<PageFlush<Arch>> {
693         let (paddr, _, flusher) = self.unmap_phys(virt, unmap_parents)?;
694         self.frame_allocator.free_one(paddr);
695         return Some(flusher);
696     }
697 
698     /// 取消虚拟地址的映射,并返回物理地址和页表项的flags
699     ///
700     /// ## 参数
701     ///
702     /// - vaddr 虚拟地址
703     /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
704     ///
705     /// ## 返回值
706     ///
707     /// 如果取消成功,返回物理地址和页表项的flags,否则返回None
708     pub unsafe fn unmap_phys(
709         &mut self,
710         virt: VirtAddr,
711         unmap_parents: bool,
712     ) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>, PageFlush<Arch>)> {
713         if !virt.check_aligned(Arch::PAGE_SIZE) {
714             kerror!("Try to unmap unaligned page: virt={:?}", virt);
715             return None;
716         }
717 
718         let mut table = self.table();
719         return unmap_phys_inner(virt, &mut table, unmap_parents, self.allocator_mut())
720             .map(|(paddr, flags)| (paddr, flags, PageFlush::<Arch>::new(virt)));
721     }
722 
723     /// 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
724     fn visit<T>(
725         &self,
726         virt: VirtAddr,
727         f: impl FnOnce(&mut PageTable<Arch>, usize) -> T,
728     ) -> Option<T> {
729         let mut table = self.table();
730         unsafe {
731             loop {
732                 let i = table.index_of(virt)?;
733                 if table.level() == 0 {
734                     return Some(f(&mut table, i));
735                 } else {
736                     table = table.next_level_table(i)?;
737                 }
738             }
739         }
740     }
741 }
742 
743 /// 取消页面映射,返回被取消映射的页表项的:【物理地址】和【flags】
744 ///
745 /// ## 参数
746 ///
747 /// - vaddr 虚拟地址
748 /// - table 页表
749 /// - unmap_parents 是否在父页表内,取消空闲子页表的映射
750 /// - 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)
751 ///
752 /// ## 返回值
753 ///
754 /// 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
755 unsafe fn unmap_phys_inner<Arch: MemoryManagementArch>(
756     vaddr: VirtAddr,
757     table: &mut PageTable<Arch>,
758     unmap_parents: bool,
759     allocator: &mut impl FrameAllocator,
760 ) -> Option<(PhysAddr, PageFlags<Arch>)> {
761     // 获取页表项的索引
762     let i = table.index_of(vaddr)?;
763 
764     // 如果当前是最后一级页表,直接取消页面映射
765     if table.level() == 0 {
766         let entry = table.entry(i)?;
767         table.set_entry(i, PageEntry::new(0));
768         return Some((entry.address().ok()?, entry.flags()));
769     }
770 
771     let mut subtable = table.next_level_table(i)?;
772     // 递归地取消映射
773     let result = unmap_phys_inner(vaddr, &mut subtable, unmap_parents, allocator)?;
774 
775     // TODO: This is a bad idea for architectures where the kernel mappings are done in the process tables,
776     // as these mappings may become out of sync
777     if unmap_parents {
778         // 如果子页表已经没有映射的页面了,就取消子页表的映射
779 
780         // 检查子页表中是否还有映射的页面
781         let x = (0..Arch::PAGE_ENTRY_NUM)
782             .map(|k| subtable.entry(k).expect("invalid page entry"))
783             .any(|e| e.present());
784         if !x {
785             // 如果没有,就取消子页表的映射
786             table.set_entry(i, PageEntry::new(0));
787             // 释放子页表
788             allocator.free_one(subtable.phys());
789         }
790     }
791 
792     return Some(result);
793 }
794 
795 impl<Arch, F: Debug> Debug for PageMapper<Arch, F> {
796     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
797         f.debug_struct("PageMapper")
798             .field("table_paddr", &self.table_paddr)
799             .field("frame_allocator", &self.frame_allocator)
800             .finish()
801     }
802 }
803 
804 /// 页表刷新器的trait
805 pub trait Flusher<Arch> {
806     /// 取消对指定的page flusher的刷新
807     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>);
808 }
809 
810 /// 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,
811 /// 否则会造成对页表的更改被忽略,这是不安全的
812 #[must_use = "The flusher must call the 'flush()', or the changes to page table will be unsafely ignored."]
813 pub struct PageFlush<Arch> {
814     virt: VirtAddr,
815     phantom: PhantomData<Arch>,
816 }
817 
818 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlush<Arch> {
819     pub fn new(virt: VirtAddr) -> Self {
820         return Self {
821             virt,
822             phantom: PhantomData,
823         };
824     }
825 
826     pub fn flush(self) {
827         unsafe { Arch::invalidate_page(self.virt) };
828     }
829 
830     /// 忽略掉这个刷新器
831     pub unsafe fn ignore(self) {
832         mem::forget(self);
833     }
834 }
835 
836 /// 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,
837 /// 否则会造成对页表的更改被忽略,这是不安全的
838 #[must_use = "The flusher must call the 'flush()', or the changes to page table will be unsafely ignored."]
839 pub struct PageFlushAll<Arch: MemoryManagementArch> {
840     phantom: PhantomData<fn() -> Arch>,
841 }
842 
843 #[allow(dead_code)]
844 impl<Arch: MemoryManagementArch> PageFlushAll<Arch> {
845     pub fn new() -> Self {
846         return Self {
847             phantom: PhantomData,
848         };
849     }
850 
851     pub fn flush(self) {
852         unsafe { Arch::invalidate_all() };
853     }
854 
855     /// 忽略掉这个刷新器
856     pub unsafe fn ignore(self) {
857         mem::forget(self);
858     }
859 }
860 
861 impl<Arch: MemoryManagementArch> Flusher<Arch> for PageFlushAll<Arch> {
862     /// 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)
863     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>) {
864         unsafe { flush.ignore() };
865     }
866 }
867 
868 impl<Arch: MemoryManagementArch, T: Flusher<Arch> + ?Sized> Flusher<Arch> for &mut T {
869     /// 允许一个flusher consume掉另一个flusher
870     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<Arch>) {
871         <T as Flusher<Arch>>::consume(self, flush);
872     }
873 }
874 
875 impl<Arch: MemoryManagementArch> Flusher<Arch> for () {
876     fn consume(&mut self, _flush: PageFlush<Arch>) {}
877 }
878 
879 impl<Arch: MemoryManagementArch> Drop for PageFlushAll<Arch> {
880     fn drop(&mut self) {
881         unsafe {
882             Arch::invalidate_all();
883         }
884     }
885 }
886 
887 /// 未在当前CPU上激活的页表的刷新器
888 ///
889 /// 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
890 ///
891 /// 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)
892 #[derive(Debug)]
893 pub struct InactiveFlusher;
894 
895 impl InactiveFlusher {
896     pub fn new() -> Self {
897         return Self {};
898     }
899 }
900 
901 impl Flusher<MMArch> for InactiveFlusher {
902     fn consume(&mut self, flush: PageFlush<MMArch>) {
903         unsafe {
904             flush.ignore();
905         }
906     }
907 }
908 
909 impl Drop for InactiveFlusher {
910     fn drop(&mut self) {
911         // 发送刷新页表的IPI
912         send_ipi(IpiKind::FlushTLB, IpiTarget::Other);
913     }
914 }
915 
916 /// # 把一个地址向下对齐到页大小
917 pub fn round_down_to_page_size(addr: usize) -> usize {
918     addr & !(MMArch::PAGE_SIZE - 1)
919 }
920 
921 /// # 把一个地址向上对齐到页大小
922 pub fn round_up_to_page_size(addr: usize) -> usize {
923     round_down_to_page_size(addr + MMArch::PAGE_SIZE - 1)
924 }
925