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  • Linux0.11内核--内存管理之2.配合fork

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     在上一篇的fork函数中,首先一上来就调用get_free_page为新任务的数据结构申请一页内存,在memory.c中:

    /*
    * 获取首个(实际上是最后1 个:-)空闲页面,并标记为已使用。如果没有空闲页面,
    * 就返回0。
    */
    //// 取空闲页面。如果已经没有可用内存了,则返回0。
    // 输入:%1(ax=0) - 0;%2(LOW_MEM);%3(cx=PAGING PAGES);%4(edi=mem_map+PAGING_PAGES-1)。
    // 输出:返回%0(ax=页面起始地址)。
    // 上面%4 寄存器实际指向mem_map[]内存字节图的最后一个字节。本函数从字节图末端开始向前扫描
    // 所有页面标志(页面总数为PAGING_PAGES),若有页面空闲(其内存映像字节为0)则返回页面地址。
    // 注意!本函数只是指出在主内存区的一页空闲页面,但并没有映射到某个进程的线性地址去。后面
    // 的put_page()函数就是用来作映射的。
    unsigned long
    get_free_page (void)
    {
      register unsigned long __res asm ("ax");
    
      __asm__ ("std ; repne ; scasb
    	"	// 方向位置位,将al(0)与对应每个页面的(di)内容比较,
    	   "jne 1f
    	"											// 如果没有等于0 的字节,则跳转结束(返回0)。
    	   "movb $1,1(%%edi)
    	"					// 将对应页面的内存映像位置1。
    	   "sall $12,%%ecx
    	"						// 页面数*4K = 相对页面起始地址。
    	   "addl %2,%%ecx
    	"						// 再加上低端内存地址,即获得页面实际物理起始地址。
    	   "movl %%ecx,%%edx
    	"				// 将页面实际起始地址??edx 寄存器。
    	   "movl $1024,%%ecx
    	"				// 寄存器ecx 置计数值1024。
    	   "leal 4092(%%edx),%%edi
    	"		// 将4092+edx 的位置??edi(该页面的末端)。
    	   "rep ; stosl
    	"									// 将edi 所指内存清零(反方向,也即将该页面清零)。
    	   "movl %%edx,%%eax
    "					// 将页面起始地址??eax(返回值)。
    "1:": "=a" (__res): "" (0), "i" (LOW_MEM), "c" (PAGING_PAGES), "D" (mem_map + PAGING_PAGES - 1):"di", "cx",
    	   "dx");
      return __res;										// 返回空闲页面地址(如果无空闲也则返回0)。
    }
    

    上面有几个指令比较陌生,先介绍repne scasb,其对应的等价指令是:

    scans:inc edi
        dec ecx
        je loopdone
        cmp byte [edi-1],al
        jne scans
    loopdone:
    

    sall $12,%eax表示将%eax的值左移12位,相当于eax=eax*4096.

    STOSL指令相当于将EAX中的值保存到ES:EDI指向的地址中。

    所以第一句指令的意思是把al即%0的值0与di内容比较(倒序),edi为mem_map+PAGING_PAGES-1,即内存映射数组的最后一个可分页的下标内容,如果有等于0的字节表示还未使用,就将对应页面的内存映像位置1.

    然后把ecx,此时不再是PAGING_PAGES,乘以4096得到相对页面的起始地址,再加上LOW_MEM得到页面实际物理起始地址。然后把这整页内存清0.最后返回这个页面的起始地址。

    接下来看最关键的copy_page_tables函数:

    // 刷新页变换高速缓冲宏函数。
    // 为了提高地址转换的效率,CPU 将最近使用的页表数据存放在芯片中高速缓冲中。在修改过页表
    // 信息之后,就需要刷新该缓冲区。这里使用重新加载页目录基址寄存器cr3 的方法来进行刷新。
    // 下面eax = 0,是页目录的基址。
    #define invalidate() 
    __asm__( "movl %%eax,%%cr3":: "a" (0))
    
    /*
    * 好了,下面是内存管理mm 中最为复杂的程序之一。它通过只复制内存页面
    * 来拷贝一定范围内线性地址中的内容。希望代码中没有错误,因为我不想
    * 再调试这块代码了?。
    *
    * 注意!我们并不是仅复制任何内存块 - 内存块的地址需要是4Mb 的倍数(正好
    * 一个页目录项对应的内存大小),因为这样处理可使函数很简单。不管怎样,
    * 它仅被fork()使用(fork.c 第56 行)。
    *
    * 注意2!!当from==0 时,是在为第一次fork()调用复制内核空间。此时我们
    * 不想复制整个页目录项对应的内存,因为这样做会导致内存严重的浪费 - 我们
    * 只复制头160 个页面 - 对应640kB。即使是复制这些页面也已经超出我们的需求,
    * 但这不会占用更多的内存 - 在低1Mb 内存范围内我们不执行写时复制操作,所以
    * 这些页面可以与内核共享。因此这是nr=xxxx 的特殊情况(nr 在程序中指页面数)。
    */
    //// 复制指定线性地址和长度(页表个数)内存对应的页目录项和页表,从而被复制的页目录和
    //// 页表对应的原物理内存区被共享使用。
    // 复制指定地址和长度的内存对应的页目录项和页表项。需申请页面来存放新页表,原内存区被共享;
    // 此后两个进程将共享内存区,直到有一个进程执行写操作时,才分配新的内存页(写时复制机制)。
    int
    copy_page_tables (unsigned long from, unsigned long to, long size)
    {
      unsigned long *from_page_table;
      unsigned long *to_page_table;
      unsigned long this_page;
      unsigned long *from_dir, *to_dir;
      unsigned long nr;
    
    // 源地址和目的地址都需要是在4Mb 的内存边界地址上。否则出错,死机。
      if ((from & 0x3fffff) || (to & 0x3fffff))
        panic ("copy_page_tables called with wrong alignment");
    // 取得源地址和目的地址的目录项(from_dir 和to_dir)。参见对115 句的注释。
      from_dir = (unsigned long *) ((from >> 20) & 0xffc);	/* _pg_dir = 0 */
      to_dir = (unsigned long *) ((to >> 20) & 0xffc);
    // 计算要复制的内存块占用的页表数(也即目录项数)。
      size = ((unsigned) (size + 0x3fffff)) >> 22;
    // 下面开始对每个占用的页表依次进行复制操作。
      for (; size-- > 0; from_dir++, to_dir++)
        {
    // 如果目的目录项指定的页表已经存在(P=1),则出错,死机。
          if (1 & *to_dir)
    	panic ("copy_page_tables: already exist");
    // 如果此源目录项未被使用,则不用复制对应页表,跳过。
          if (!(1 & *from_dir))
    	continue;
    // 取当前源目录项中页表的地址??from_page_table。
          from_page_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *from_dir);
    // 为目的页表取一页空闲内存,如果返回是0 则说明没有申请到空闲内存页面。返回值=-1,退出。
          if (!(to_page_table = (unsigned long *) get_free_page ()))
    	return -1;		/* Out of memory, see freeing */
    // 设置目的目录项信息。7 是标志信息,表示(Usr, R/W, Present)。
          *to_dir = ((unsigned long) to_page_table) | 7;
    // 针对当前处理的页表,设置需复制的页面数。如果是在内核空间,则仅需复制头160 页,否则需要
    // 复制1 个页表中的所有1024 页面。
          nr = (from == 0) ? 0xA0 : 1024;
    // 对于当前页表,开始复制指定数目nr 个内存页面。
          for (; nr-- > 0; from_page_table++, to_page_table++)
    	{
    	  this_page = *from_page_table;			// 取源页表项内容。
    	  if (!(1 & this_page))								// 如果当前源页面没有使用,则不用复制。
    	    continue;
    // 复位页表项中R/W 标志(置0)。(如果U/S 位是0,则R/W 就没有作用。如果U/S 是1,而R/W 是0,
    // 那么运行在用户层的代码就只能读页面。如果U/S 和R/W 都置位,则就有写的权限。)
    	  this_page &= ~2;
    	  *to_page_table = this_page;				// 将该页表项复制到目的页表中。
    // 如果该页表项所指页面的地址在1M 以上,则需要设置内存页面映射数组mem_map[],于是计算
    // 页面号,并以它为索引在页面映射数组相应项中增加引用次数。而对于位于1MB 以下的页面,说明
    // 是内核页面,因此不需要对mem_map[]进行设置。因为mem_map[]仅用于管理主内存区中的页面使用
    // 情况。因此,对于内核移动到任务0 中并且调用fork()创建任务1 时(用于运行init()),由于此
    //时
    // 复制的页面还仍然都在内核代码区域,因此以下判断中的语句不会执行。只有当调用fork()的父进程
    // 代码处于主内存区(页面位置大于1MB)时才会执行。这种情况需要在进程调用了execve(),装载并
    // 执行了新程序代码时才会出现。
    	  if (this_page > LOW_MEM)
    	    {
    // 下面这句的含义是令源页表项所指内存页也为只读。因为现在开始有两个进程共用内存区了。
    // 若其中一个内存需要进行写操作,则可以通过页异常的写保护处理,为执行写操作的进程分配
    // 一页新的空闲页面,也即进行写时复制的操作。
    	      *from_page_table = this_page;		// 令源页表项也只读。
    	      this_page -= LOW_MEM;
    	      this_page >>= 12;
    	      mem_map[this_page]++;
    	    }
    	}
        }
      invalidate ();		// 刷新页变换高速缓冲。
      return 0;
    }
    

    记得从fork传递过来的三个参数依次是old_data_base,new_data_base,data_limit。其中old_data_base是原进程局部描述符表中数据段的基地址(线性地址空间),new_data_base为新进程在线性地址空间中的基地址(任务号*64MB),data_limit为原进程的局部描述符表中数据段描述符中的段限长。

    首先取源地址和目的地址的页目录项,因为一页内存为4K即4096,所以4096对应的是一个页表项,由于一个页表有1024个表项,所以一个页表为1024*4096=4194304,又由于一个完整的页表对应的是一个页目录项,所以页目录号即为地址除以4194304(即右移22位)。因为每项占4个字节,并且由于页目录是从物理地址0开始(head.s),因此实际的页目录项指针=页目录号*4(即左移2)。和0xffc(4092)相与表示不能超出1024个页目录项的范围。

    紧接着计算限长的页目录项数,也即所占页表数,(size+4M)/4M。

    然后用一个for循环依次复制每个占用的页表,首先取源目录项中的页表地址0xfffff000 & *from_dir,根据PDE的结构,12-31位为页表基地址,0-11位为各种属性。所以用0xfffff000清除低12位,获取高20位的页表基址。

    接下来为目的页表申请一页空白内存,此页表的起始地址存在to_page_table中,并置前三位为1.再将这个地址值赋值给目的页目录项。

    然后又用一个for循环复制以from_page_table为页表起始地址的一整个页表的页表项内容,首先取第一个源页表项的内容*from_page_table,其实就是某个页的地址和一些属性。然后将该页表项内容this_page赋值给*to_page_table。

    后面一小段代码是设置只读。

    最后一句为刷新页变换高速缓冲,没什么好说的。

    上面的函数执行如果出错,则会调用free_page_tables来释放申请的内存:

    /*
    * 下面函数释放页表连续的内存块,'exit()'需要该函数。与copy_page_tables()
    * 类似,该函数仅处理4Mb 的内存块。
    */
    //// 根据指定的线性地址和限长(页表个数),释放对应内存页表所指定的内存块并置表项空闲。
    // 页目录位于物理地址0 开始处,共1024 项,占4K 字节。每个目录项指定一个页表。
    // 页表从物理地址0x1000 处开始(紧接着目录空间),每个页表有1024 项,也占4K 内存。
    // 每个页表项对应一页物理内存(4K)。目录项和页表项的大小均为4 个字节。
    // 参数:from - 起始基地址;size - 释放的长度。
    int
    free_page_tables (unsigned long from, unsigned long size)
    {
      unsigned long *pg_table;
      unsigned long *dir, nr;
    
      if (from & 0x3fffff)									// 要释放内存块的地址需以4M 为边界。
    																  //不能<4M,小于4M就等于本身,大于4M就等于0
        panic ("free_page_tables called with wrong alignment");
      if (!from)													// 出错,试图释放内核和缓冲所占空间。
        panic ("Trying to free up swapper memory space");
    // 计算所占页目录项数(4M 的进位整数倍),也即所占页表数。(size+4M)/4M
    //一个页是4KB,一整个页表有1024个页,所以4KB*1024=4M就是一整个页表所对应的size容量
    //然后一整个页表对应的是一个页目录项
      size = (size + 0x3fffff) >> 22;
    // 下面一句计算起始目录项。对应的目录项号=from>>22,因每项占4 字节,并且由于页目录是从
    // 物理地址0 开始,因此实际的目录项指针=目录项号<<2,也即(from>>20)。与上0xffc 确保
    // 目录项指针范围有效。
      dir = (unsigned long *) ((from >> 20) & 0xffc);	/* _pg_dir = 0 */
      for (; size-- > 0; dir++)
        {																// size 现在是需要被释放内存的目录项数。
          if (!(1 & *dir))										// 如果该目录项无效(P 位=0),则继续。
    	continue;												// 目录项的位0(P 位)表示对应页表是否存在。
          pg_table = (unsigned long *) (0xfffff000 & *dir);	// 取目录项中页表地址。
          for (nr = 0; nr < 1024; nr++)
    	{																// 每个页表有1024 个页项。
    	  if (1 & *pg_table)								// 若该页表项有效(P 位=1),则释放对应内存页。
    	    free_page (0xfffff000 & *pg_table);
    	  *pg_table = 0;										// 该页表项内容清零。
    	  pg_table++;											// 指向页表中下一项。
    	}
          free_page (0xfffff000 & *dir);			// 释放该页表所占内存页面。但由于页表在
    																	// 物理地址1M 以内,所以这句什么都不做。
          *dir = 0;												// 对相应页表的目录项清零。
        }
      invalidate ();											// 刷新页变换高速缓冲。
      return 0;
    }
    

    这个函数和上面的函数类似,首先计算所占页目录项数,然后计算起始目录项地址。

    然后用一个for循环先取到目录项中的页表地址,再用一个for循环把页表中的1024个页项清空,这里又用到一个函数free_page:

    /*
    * 释放物理地址'addr'开始的一页内存。用于函数'free_page_tables()'。
    */
    //// 释放物理地址addr 开始的一页面内存。
    // 1MB 以下的内存空间用于内核程序和缓冲,不作为分配页面的内存空间。
    //a = i--;//先a = i ; 然后 i = i - 1;
    void
    free_page (unsigned long addr)
    {
      if (addr < LOW_MEM)
        return;											// 如果物理地址addr 小于内存低端(1MB),则返回。
      if (addr >= HIGH_MEMORY)	// 如果物理地址addr>=内存最高端,则显示出错信息。
        panic ("trying to free nonexistent page");
      addr -= LOW_MEM;						// 物理地址减去低端内存位置,再除以4KB,得页面号。
      addr >>= 12;
      if (mem_map[addr]--)
        return;											// 如果对应内存页面映射字节不等于0,则减1 返回。
      mem_map[addr] = 0;					// 否则置对应页面映射字节为0,并显示出错信息,死机。
      panic ("trying to free free page");
    }
    

    这个函数是释放一页内存,首先得到页面号,然后把内存映射数组对应的下标的内容减1.比较简单。

    所以free_page (0xfffff000 & *pg_table);的含义是先取页表项的内容,也就是对应的某一页内存的地址,然后释放这一页内存。

    释放完这一页内存后,就把该页表项内容清零*pg_table=0.

    接着再释放该页表所占的内存页面(4K),最后释放该页目录项的内容。

    至此分析结束!

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