kalloc.c

TIP

物理内存页分配器 (Physical Memory Allocator) xv6 内核使用此分配器来动态申请和释放物理内存。它的工作单位是“页”(Page)，每页大小固定为 4096 字节。这部分内存主要用于： 1. 为用户进程分配内存空间。 2. 为每个进程创建其内核栈。 3. 存储页表 (Page Tables)。 4. 作为管道 (Pipes) 的内核缓冲区。分配器管理着从内核代码和数据段结束位置(end)到物理内存顶端(PHYSTOP)之间的所有内存。实现原理是维护一个空闲物理页的单向链表（通常称为 freelist）。

#include "types.h"
#include "param.h"
#include "memlayout.h"
#include "spinlock.h"
#include "riscv.h"
#include "defs.h"

void freerange(void *pa_start, void *pa_end);

extern char end[];

TIP

它并不指向任何实际的数据，而是作为一个地址标记，标识了内核代码和静态数据段结束之后第一个字节的位置。物理内存分配器将管理从 end 到 PHYSTOP 地址之间的所有内存。

TIP

struct run 代表一个空闲的物理页。因为页是空闲的，我们可以安全地利用其 4096 字节的空间来存储数据。在这里，我们用它来存储指向下一个空闲页的指针，从而将所有空闲页链接成一个单向链表。

struct run {
  struct run *next;
};

TIP

内核内存分配器的核心数据结构。

struct {
  struct spinlock lock;

TIP

如果没有锁，多个 CPU 同时调用 kalloc() 或 kfree() 可能会导致链表损坏或数据不一致。

  struct run *freelist;
} kmem;

TIP

初始化物理内存分配器。

void
kinit()
{
  initlock(&kmem.lock, "kmem");

TIP

调用 freerange 函数，将从内核末尾(end)到物理内存顶端(PHYSTOP) 之间的所有物理内存，逐页释放并添加到空闲链表中。

  freerange(end, (void*)PHYSTOP);
}

TIP

将一段给定的物理地址范围 [pa_start, pa_end) 逐页添加到空闲链表中。

void
freerange(void *pa_start, void *pa_end)
{
  char *p;

TIP

首先，将起始地址向上取整到下一个页边界(PGSIZE的整数倍)。这是为了确保我们操作的单位都是完整的页。

  p = (char*)PGROUNDUP((uint64)pa_start);

TIP

遍历这个地址范围内的每一页。

  for(; p + PGSIZE <= (char*)pa_end; p += PGSIZE)
    kfree(p);
}

TIP

释放一个物理页。 pa 是要释放的页的起始物理地址，它通常是之前调用 kalloc() 的返回值。

void
kfree(void *pa)
{
  struct run *r;

TIP

对传入的地址 pa 进行一系列健全性检查： 1. 地址必须是页对齐的 (地址是 PGSIZE 的整数倍)。 2. 地址不能位于内核代码和数据区域（即地址值必须大于 end）。 3. 地址必须在物理内存的合法范围内（即小于 PHYSTOP）。

  if(((uint64)pa % PGSIZE) != 0 || (char*)pa < end || (uint64)pa >= PHYSTOP)
    panic("kfree");

TIP

将被释放的内存块用固定的值(1)填充。这是一种调试技巧，被称为“内存投毒”(Memory Poisoning)。如果有代码在释放后仍然非法地使用这块内存（即“悬挂指针”问题），它会读到无意义的数据(1)而不是旧的有效数据，这使得这类错误更容易被发现。

  memset(pa, 1, PGSIZE);

TIP

将物理地址 pa 强制转换为 struct run* 类型，以便将其作为链表节点处理。

  r = (struct run*)pa;

  acquire(&kmem.lock);
  r->next = kmem.freelist;
  kmem.freelist = r;
  release(&kmem.lock);
}

TIP

分配一页（4096字节）的物理内存。成功时，返回一个指向该页起始地址的指针，该指针可被内核直接使用。如果系统中所有内存页都已被分配，则返回 0 (空指针)。

void *
kalloc(void)
{
  struct run *r;

  acquire(&kmem.lock);
  r = kmem.freelist;
  if(r)
    kmem.freelist = r->next;
  release(&kmem.lock);

  if(r) {

TIP

如果成功分配到了页 (r 不为 null)，也对其进行“内存投毒”。将其内容填充为 5。这有助于捕获那些错误地假设新分配内存被自动清零的代码。正确的实践是，内核代码在使用新分配的内存前，应该根据需要进行显式地初始化。

    memset((char*)r, 5, PGSIZE); 
  }
  
  return (void*)r;
}