【HarmonyOS】鸿蒙内核源码分析(内存管理篇)

https://my.oschina.net/u/3751245/blog/4652284

本帖最后由 l_xy 于 2020-10-18 17:49 编辑

原文链接：https://my.oschina.net/u/3751245/blog/4652284

本文分析虚拟内存模块源码详见:../kernel/base/vm

有了上篇鸿蒙内核源码分析(内存概念篇)的基础，本篇讲内存管理部分，本章源码超级多，很烧脑，但笔者关键处都加了注释。废话不多说，开始吧。

初始化整个内存

鸿蒙内存的布局

内核空间是怎么初始化的？

Page是如何初始化的？

进程是如何申请内存的？

task是如何申请内存的？

初始化整个内存

从main()跟踪可看内存部分初始化是在OsSysMemInit()中完成的。

//*kyf 内存初始化工作
UINT32 OsSysMemInit(VOID)
{
STATUS_T ret;
OsKSpaceInit();//*kyf 内核空间初始化
ret = OsKHeapInit(OS_KHEAP_BLOCK_SIZE);//*kyf 内核动态内存初始化 512K
if (ret != LOS_OK) {
VM_ERR("OsKHeapInit fail");
return LOS_NOK;
}
OsVmPageStartup();//*kyf page初始化
OsInitMappingStartUp();//*kyf 映射初始化
ret = ShmInit();//*kyf 共享内存初始化
if (ret < 0) {
VM_ERR("ShmInit fail");
return LOS_NOK;
}
return LOS_OK;
}

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鸿蒙内存的布局

extern CHAR __int_stack_start; //*kyf OS_SYS_FUNC_ADDR_START 开机第一条指令地址
extern CHAR __rodata_start; //*kyf ROM开始地址只读
extern CHAR __rodata_end; //*kyf ROM结束地址
extern CHAR __bss_start; //*kyf bss开始地址
extern CHAR __bss_end; //*kyf bss结束地址
extern CHAR __text_start; //*kyf 代码区开始地址
extern CHAR __text_end; //*kyf 代码区结束地址
extern CHAR __ram_data_start; //*kyf RAM开始地址可读可写
extern CHAR __ram_data_end; //*kyf RAM结束地址
extern UINT32 __heap_start; //*kyf 堆区开始地址
extern UINT32 __heap_end; //*kyf 堆区结束地址

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内存一开始一张白纸，这些extern就是给它画大界线的，从哪到哪是属于什么段。这些值大小取决实际项目内存条的大小，不同的内存条，地址肯定会不一样，所以必须由外部提供，鸿蒙内核采用了Linux的段管理方式。

上图是Linux的内存布局图，鸿蒙的没看到，但应该也是这样，笔者后续将再确认(?)，有代码中有迹可循，如下：

//堆区的开始位置是 bss的结束位置
UINTPTR g_vmBootMemBase = (UINTPTR)&__bss_end; //*kyf 代码中可验证和Linux内存布局是一样的地方

复制代码

结合上图对比以下的解释自行理解下位置。

BSS段（bss segment）通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。该段用于存储未初始化的全局变量或者是默认初始化为0的全局变量，它不占用程序文件的大小，但是占用程序运行时的内存空间。

data段该段用于存储初始化的全局变量，初始化为0的全局变量出于编译优化的策略还是被保存在BSS段。

细心的读者可能发现了，鸿蒙内核几乎所有的全局变量都没有赋初始化值或NULL，这些变量经过编译后是放在了BSS段的，运行时占用内存空间，如此编译出来的ELF包就变小了。

.rodata段,该段也叫常量区，用于存放常量数据，ro就是Read Only之意。

text段是用于存放程序代码的，编译时确定,只读。更进一步讲是存放处理器的机器指令，当各个源文件单独编译之后生成目标文件，经连接器链接各个目标文件并解决各个源文件之间函数的引用，与此同时，还得将所有目标文件中的.text段合在一起。

stack栈段，是由系统负责申请释放，用于存储参数变量及局部变量以及函数的执行。

heap段它由用户申请和释放，申请时至少分配虚存，当真正存储数据时才分配相应的实存，释放时也并非立即释放实存，而是可能被重复利用。

内核空间是怎么初始化的？

LosMux g_vmSpaceListMux;//*kyf 互斥，共享内存部分
LOS_DL_LIST_HEAD(g_vmSpaceList);//*kyf 虚拟内存空间头结点
LosVmSpace g_kVmSpace;//*kyf 内核空间
LosVmSpace g_vMallocSpace; //*kyf 内核堆空间
VOID OsKSpaceInit(VOID)
{
OsVmMapInit();//*kyf 初始化虚拟内存互斥量, 个人认为这个函数名取的有点瑕疵...
OsKernVmSpaceInit(&g_kVmSpace, OsGFirstTableGet());//*kyf 初始化内核vm
OsVMallocSpaceInit(&g_vMallocSpace, OsGFirstTableGet());//*kyf 初始化堆区vm ,用户动态分配
}
//内核动态内存 size = 512K
STATUS_T OsKHeapInit(size_t size)
{
STATUS_T ret;
VOID *ptr = NULL;
/*
* roundup to MB aligned in order to set kernel attributes. kernel text/code/data attributes
* should page mapping, remaining region should section mapping. so the boundary should be
* MB aligned.
*/
UINTPTR end = ROUNDUP(g_vmBootMemBase + size, MB);
size = end - g_vmBootMemBase;
ptr = OsVmBootMemAlloc(size);
if (!ptr) {
PRINT_ERR("vmm_kheap_init boot_alloc_mem failed! %dn", size);
return -1;
}
m_aucSysMem0 = m_aucSysMem1 = ptr;
ret = LOS_MemInit(m_aucSysMem0, size);
if (ret != LOS_OK) {
PRINT_ERR("vmm_kheap_init LOS_MemInit failed!n");
g_vmBootMemBase -= size;
return ret;
}
LOS_MemExpandEnable(OS_SYS_MEM_ADDR);
return LOS_OK;
}

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内核空间用了三个全局变量，其中一个是互斥LosMux，IPC部分会详细讲，这里先不展开。比较有意思的是LOS_DL_LIST_HEAD，看内核源码过程中经常会为这样的代码点头称赞，会心一笑。点赞！

#define LOS_DL_LIST_HEAD(list) LOS_DL_LIST list = { &(list), &(list) }

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Page是如何初始化的？

page是映射的最小单位，是物理地址<--->虚拟地址映射的数据结构的基础
VOID OsVmPageStartup(VOID)
{
struct VmPhysSeg *seg = NULL;
LosVmPage *page = NULL;
paddr_t pa;
UINT32 nPage;
INT32 segID;
OsVmPhysAreaSizeAdjust(ROUNDUP((g_vmBootMemBase - KERNEL_ASPACE_BASE), PAGE_SIZE));//*kfy 物理内存全部切成4K的物理页，用g_physArea保存
nPage = OsVmPhysPageNumGet();
g_vmPageArraySize = nPage * sizeof(LosVmPage);
g_vmPageArray = (LosVmPage *)OsVmBootMemAlloc(g_vmPageArraySize);
OsVmPhysAreaSizeAdjust(ROUNDUP(g_vmPageArraySize, PAGE_SIZE));//*kyf 每个页头统一存放LosVmPage,这段代码很妙
OsVmPhysSegAdd();//*kyf 段页绑定
OsVmPhysInit();//*kyf 加入空闲链表和设置置换算法 LRU(最近最久未使用)算法
for (segID = 0; segID < g_vmPhysSegNum; segID++) {
seg = &g_vmPhysSeg[segID];
nPage = seg->size >> PAGE_SHIFT;
for (page = seg->pageBase, pa = seg->start; page <= seg->pageBase + nPage;
page++, pa += PAGE_SIZE) {
OsVmPageInit(page, pa, segID);//*kfy page初始化
}
OsVmPageOrderListInit(seg->pageBase, nPage);//*kyf 页面回收后的排序
}
}

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进程是如何申请内存的？

进程的主体是来自进程池，进程池是统一分配的，怎么创建进程池的去翻系列篇里的文章，所以创建一个进程的时候只需要分配虚拟内存LosVmSpace，这里要分内核模式和用户模式下的申请。

//初始化进程的用户空间或内核空间
STATIC UINT32 OsInitPCB(LosProcessCB *processCB, UINT32 mode, UINT16 priority, UINT16 policy, const CHAR *name)
{
if (OsProcessIsUserMode(processCB)) {//*kyf 用户态进程分配用户空间
space = LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, sizeof(LosVmSpace));
if (space == NULL) {
PRINT_ERR("%s %d, alloc space failedn", __FUNCTION__, __LINE__);
return LOS_ENOMEM;
}
VADDR_T *ttb = LOS_PhysPagesAllocContiguous(1);
if (ttb == NULL) {
PRINT_ERR("%s %d, alloc ttb or space failedn", __FUNCTION__, __LINE__);
(VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, space);
return LOS_ENOMEM;
}
(VOID)memset_s(ttb, PAGE_SIZE, 0, PAGE_SIZE);
retVal = OsUserVmSpaceInit(space, ttb);
vmPage = OsVmVaddrToPage(ttb);
if ((retVal == FALSE) || (vmPage == NULL)) {
PRINT_ERR("create space failed! ret: %d, vmPage: %#xn", retVal, vmPage);
processCB->processStatus = OS_PROCESS_FLAG_UNUSED;
(VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, space);
LOS_PhysPagesFreeContiguous(ttb, 1);
return LOS_EAGAIN;
}
processCB->vmSpace = space;
LOS_ListAdd(&processCB->vmSpace->archMmu.ptList, &(vmPage->node));
} else { //*kfy 用户态进程分配用户空间
processCB->vmSpace = LOS_GetKVmSpace();
}
}
LosVmSpace *LOS_GetKVmSpace(VOID)
{
return &g_kVmSpace;
}

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从代码可以看出，内核空间固定只有一个g_kVmSpace，而每个用户进程的虚拟内存空间都是独立的。请细品！

task是如何申请内存的？

task的主体是来自进程池，task池是统一分配的，怎么创建task池的去翻系列篇里的文章。这里task只需要申请stack空间，还是直接上看源码吧，这里用OsUserInitProcess函数看应用程序的main() 是如何被内核创建任务和运行的。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsUserInitProcess(VOID)
{
INT32 ret;
UINT32 size;
TSK_INIT_PARAM_S param = { 0 };
VOID *stack = NULL;
VOID *userText = NULL;
CHAR *userInitTextStart = (CHAR *)&__user_init_entry;//*kfy 代码区开始位置
CHAR *userInitBssStart = (CHAR *)&__user_init_bss;//*kyf 未初始化数据区（BSS）。在运行时改变其值
CHAR *userInitEnd = (CHAR *)&__user_init_end;//*kyf 结束地址
UINT32 initBssSize = userInitEnd - userInitBssStart;
UINT32 initSize = userInitEnd - userInitTextStart;
LosProcessCB *processCB = OS_PCB_FROM_PID(g_userInitProcess);
ret = OsProcessCreateInit(processCB, OS_USER_MODE, "Init", OS_PROCESS_USERINIT_PRIORITY);//*kyf 初始化用户进程,它将是所有应用程序的父进程
if (ret != LOS_OK) {
return ret;
}
userText = LOS_PhysPagesAllocContiguous(initSize >> PAGE_SHIFT);//*kyf 分配连续的物理页
if (userText == NULL) {
ret = LOS_NOK;
goto ERROR;
}
(VOID)memcpy_s(userText, initSize, (VOID *)&__user_init_load_addr, initSize);//*kyf 安全copy 经加载器load的结果 __user_init_load_addr -> userText
ret = LOS_VaddrToPaddrMmap(processCB->vmSpace, (VADDR_T)(UINTPTR)userInitTextStart, LOS_PaddrQuery(userText),
initSize, VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE |
VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_EXECUTE | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_USER);//*kyf 虚拟地址与物理地址的映射
if (ret < 0) {
goto ERROR;
}
(VOID)memset_s((VOID *)((UINTPTR)userText + userInitBssStart - userInitTextStart), initBssSize, 0, initBssSize);//*kyf 除了代码段，其余都清0
stack = OsUserInitStackAlloc(g_userInitProcess, &size);//*kyf 初始化堆栈区
if (stack == NULL) {
PRINTK("user init process malloc user stack failed!n");
ret = LOS_NOK;
goto ERROR;
}
param.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)userInitTextStart;//*kyf 从代码区开始执行，也就是应用程序main 函数的位置
param.userParam.userSP = (UINTPTR)stack + size;//*kyf 指向栈顶
param.userParam.userMapBase = (UINTPTR)stack;//*kyf 栈底
param.userParam.userMapSize = size;//*kyf 栈大小
param.uwResved = OS_TASK_FLAG_PTHREAD_JOIN;//*kyf 可结合的（joinable）能够被其他线程收回其资源和杀死
ret = OsUserInitProcessStart(g_userInitProcess, ¶m);//*kyf 创建一个任务，来运行main函数
if (ret != LOS_OK) {
(VOID)OsUnMMap(processCB->vmSpace, param.userParam.userMapBase, param.userParam.userMapSize);
goto ERROR;
}
return LOS_OK;
ERROR:
(VOID)LOS_PhysPagesFreeContiguous(userText, initSize >> PAGE_SHIFT);
OsDeInitPCB(processCB);
return ret;
}

复制代码

所有的用户进程都是通过init进程 fork来的，可以看到创建进程的同时创建了一个task, 入口函数就是代码区的第一条指令,也就是应用程序 main函数。这里再说下stack的大小，不同空间下的task栈空间是不一样的，鸿蒙内核中有三种栈空间size,如下

#define LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE SIZE(0x800)//*kyf 内核进程，运行在内核空间2K
#define OS_USER_TASK_SYSCALL_SATCK_SIZE 0x3000 //*kyf 用户进程，通过系统调用创建的task运行在内核空间的 12K
#define OS_USER_TASK_STACK_SIZE 0x100000//*kyf 用户进程运行在用户空间的1M

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