ROSR 是『RISC-V OS using Rust』的缩写，是由 Stephen Marz 在他的系列博客中提供的操作系统开发教程。
本章描述系统堆内存管理。
前面章节已经描述过我们通过 QEMU 给整个系统提供了 128M 字节内存空间，ELF 文件加载到内存中后除开代码、全局变量、栈等占用的内存之外，其余部分我们都分配了堆。所以堆的部分就由操作系统来管理分配。
管理系统堆空间时，分为 3 个部分：
- 页分配
- 字节分配
- 编程内存管理单元
本 3.1 节主要描述页分配。
按页分配表示以页为粒度来分配内存空间，RISC-V 和大多数架构一样最小页空间占用 4096 字节。按页分配的方法有很多，这里采用描述符分配方式。
在进入正题之前，我们先来看几个重要的参数：
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| PROVIDE(_heap_start = _stack_end);
PROVIDE(_heap_size = _memory_end - _heap_start);
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linker script 提供了 2 个重要符号：堆起始地址（_heap_start）和堆大小（_heap_size），这些符号又通过 mem.S 文件作为全局常量传入 rust：
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| .global HEAP_START
HEAP_START: .dword _heap_start
.global HEAP_SIZE
HEAP_SIZE: .dword _heap_size
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在 page.rs 的 init 函数中：
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| let num_pages = HEAP_SIZE / PAGE_SIZE;
ALLOC_START = align_val(
HEAP_START
+ num_pages * size_of::<Page,>(),
PAGE_ORDER,
);
|
第一行算出堆内存总共的页数，最后一行算出用于分配的堆内存起始地址。
描述符分配法
每次分配都按照连续页分配，并且只存储首页地址。为了达到此目标必须每页内存都有一个字节大小的描述符。此描述符包含 2 种标志：1）此页是否被分配；2）是否为连续分配内存的最后一页。
由此定义如下数据结构：
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| #[repr(u8)]
pub enum PageBits {
Empty = 0,
Taken = 1 << 0,
Last = 1 << 1,
}
pub struct Page {
flags: u8,
}
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分配内存页
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| pub fn alloc(pages: usize) -> *mut u8 {
assert!(pages > 0);
unsafe {
let num_pages = HEAP_SIZE / PAGE_SIZE;
let ptr = HEAP_START as *mut Page;
for i in 0..num_pages - pages {
let mut found = false;
if (*ptr.add(i)).is_free() {
found = true;
for j in i..i + pages {
if (*ptr.add(j)).is_taken() {
found = false;
break;
}
}
}
if found {
for k in i..i + pages - 1 {
(*ptr.add(k)).set_flag(PageBits::Taken);
}
(*ptr.add(i+pages-1)).set_flag(PageBits::Taken);
(*ptr.add(i+pages-1)).set_flag(PageBits::Last);
return (ALLOC_START + PAGE_SIZE * i)
as *mut u8;
}
}
}
null_mut()
}
|
如上为内存页分配函数，函数参数为需要的页数。
第 2 行：判断页数是否有效；
第 4 行：算出堆内存空间总页数；
第 5 行：将堆起始地址类型转换为可变页指针；
第 6～26 行：找出满足要求连续空闲页并分配；
第 8～16 行：在第 i 页为空闲的前提下看其后是否有满足所需页数的连续页；
第 17～25 行：如果找到了满足所需页数的连续空闲页，将除最后一页的内存页标记为占用，最后一页标记为占用以及尾，并返回页指针。
回收内存页
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| pub fn dealloc(ptr: *mut u8) {
assert!(!ptr.is_null());
unsafe {
let addr =
HEAP_START + (ptr as usize - ALLOC_START) / PAGE_SIZE;
assert!(addr >= HEAP_START && addr < HEAP_START + HEAP_SIZE);
let mut p = addr as *mut Page;
while (*p).is_taken() && !(*p).is_last() {
(*p).clear();
p = p.add(1);
}
assert!(
(*p).is_last() == true,
"Possible double-free detected! (Not taken found \
before last)"
);
(*p).clear();
}
}
|
如上为内存页回收函数，函数参数为需要回收的页指针。
第 2 行：判断页指针是否有效；
第 4～7 行：算出此页内存所对应的页描述符；
第 8～17 行：依次将所有分配的内存页对应的页描述符标记清零，表示设置为未占用。