鸿蒙内核源码分析(内存管理篇):虚拟内存和物理内存是怎么管理的

2020-11-20 10:54:31  288 鸿蒙系统 内核 源码
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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
1.png
从main()跟踪可看内存部分初始化是在OsSysMemInit()中完成的
  1. //*kyf 内存初始化工作
  2. UINT32 OsSysMemInit(VOID)
  3. {
  4.     STATUS_T ret;

  5.     OsKSpaceInit();//*kyf 内核空间初始化

  6.     ret = OsKHeapInit(OS_KHEAP_BLOCK_SIZE);//*kyf 内核动态内存初始化 512K
  7.     if (ret != LOS_OK) {
  8.         VM_ERR("OsKHeapInit fail");
  9.         return LOS_NOK;
  10.     }

  11.     OsVmPageStartup();//*kyf page初始化
  12.     OsInitMappingStartUp();//*kyf 映射初始化

  13.     ret = ShmInit();//*kyf 共享内存初始化
  14.     if (ret < 0) {
  15.         VM_ERR("ShmInit fail");
  16.         return LOS_NOK;
  17.     }

  18.     return LOS_OK;
  19. }
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鸿蒙内存的布局
  1. extern CHAR __int_stack_start;        //*kyf OS_SYS_FUNC_ADDR_START 开机第一条指令地址
  2. extern CHAR __rodata_start;                //*kyf ROM开始地址 只读
  3. extern CHAR __rodata_end;                //*kyf ROM结束地址
  4. extern CHAR __bss_start;                //*kyf bss开始地址
  5. extern CHAR __bss_end;                        //*kyf bss结束地址
  6. extern CHAR __text_start;                //*kyf 代码区开始地址
  7. extern CHAR __text_end;                        //*kyf 代码区结束地址
  8. extern CHAR __ram_data_start;        //*kyf RAM开始地址 可读可写
  9. extern CHAR __ram_data_end;                //*kyf RAM结束地址
  10. extern UINT32 __heap_start;         //*kyf 堆区开始地址
  11. extern UINT32 __heap_end;                //*kyf 堆区结束地址
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内存一开始就是一张白纸,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。
2.png
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:
  1. //堆区的开始位置是 bss的结束位置
  2. 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
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Linux内存布局是一样的地方
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?
  1. LosMux g_vmSpaceListMux;//*kyf 互斥,共享内存部分
  2. LOS_DL_LIST_HEAD(g_vmSpaceList);//*kyf 虚拟内存空间头结点
  3. LosVmSpace g_kVmSpace;//*kyf 内核空间
  4. LosVmSpace g_vMallocSpace; //*kyf 内核堆空间
  5. VOID OsKSpaceInit(VOID)
  6. {
  7.     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...
  8.     OsKernVmSpaceInit(&g_kVmSpace, OsGFirstTableGet());//*kyf 初始化内核vm
  9.     OsVMallocSpaceInit(&g_vMallocSpace, OsGFirstTableGet());//*kyf 初始化堆区vm ,用户动态分配
  10. }
  11. //内核动态内存 size = 512K
  12. STATUS_T OsKHeapInit(size_t size)
  13. {
  14.     STATUS_T ret;
  15.     VOID *ptr = NULL;
  16.     /*
  17.      * roundup to MB aligned in order to set kernel attributes. kernel text/code/data attributes
  18.      * should page mapping, remaining region should section mapping. so the boundary should be
  19.      * MB aligned.
  20.      */
  21.     UINTPTR end = ROUNDUP(g_vmBootMemBase + size, MB);
  22.     size = end - g_vmBootMemBase;

  23.     ptr = OsVmBootMemAlloc(size);
  24.     if (!ptr) {
  25.         PRINT_ERR("vmm_kheap_init boot_alloc_mem faiLED! %d\n", size);
  26.         return -1;
  27.     }

  28.     m_aucSysMem0 = m_aucSysMem1 = ptr;
  29.     ret = LOS_MemInit(m_aucSysMem0, size);
  30.     if (ret != LOS_OK) {
  31.         PRINT_ERR("vmm_kheap_init LOS_MemInit failed!\n");
  32.         g_vmBootMemBase -= size;
  33.         return ret;
  34.     }
  35.     LOS_MemExpandEnable(OS_SYS_MEM_ADDR);
  36.     return LOS_OK;
  37. }
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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
  1. VOID OsVmPageStartup(VOID)
  2. {
  3.     struct VmPhysSeg *seg = NULL;
  4.     LosVmPage *page = NULL;
  5.     paddr_t pa;
  6.     UINT32 nPage;
  7.     INT32 segID;

  8.     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

  9.     nPage = OsVmPhysPageNumGet();
  10.     g_vmPageArraySize = nPage * sizeof(LosVmPage);
  11.     g_vmPageArray = (LosVmPage *)OsVmBootMemAlloc(g_vmPageArraySize);

  12.     OsVmPhysAreaSizeAdjust(ROUNDUP(g_vmPageArraySize, PAGE_SIZE));//*kyf 每个页头统一存放LosVmPage,这段代码很妙

  13.     OsVmPhysSegAdd();//*kyf 段页绑定
  14.     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

  15.     for (segID = 0; segID < g_vmPhysSegNum; segID++) {
  16.         seg = &g_vmPhysSeg[segID];
  17.         nPage = seg->size >> PAGE_SHIFT;
  18.         for (page = seg->pageBase, pa = seg->start; page <= seg->pageBase + nPage;
  19.              page++, pa += PAGE_SIZE) {
  20.             OsVmPageInit(page, pa, segID);//*kfy page初始化
  21.         }
  22.         OsVmPageOrderListInit(seg->pageBase, nPage);//*kyf 页面回收后的排序
  23.     }
  24. }
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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。
  1. //初始化进程的 用户空间 或 内核空间
  2. STATIC UINT32 OsInitPCB(LosProcessCB *processCB, UINT32 mode, UINT16 priority, UINT16 policy, const CHAR *name)
  3. {

  4.     if (OsProcessIsUserMode(processCB)) {//*kyf 用户态进程分配用户空间
  5.         space = LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, sizeof(LosVmSpace));
  6.         if (space == NULL) {
  7.             PRINT_ERR("%s %d, alloc space failed\n", __FUNCTION__, __LINE__);
  8.             return LOS_ENOMEM;
  9.         }
  10.         VADDR_T *ttb = LOS_PhysPagesAllocContiguous(1);
  11.         if (ttb == NULL) {
  12.             PRINT_ERR("%s %d, alloc ttb or space failed\n", __FUNCTION__, __LINE__);
  13.             (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, space);
  14.             return LOS_ENOMEM;
  15.         }
  16.         (VOID)memset_s(ttb, PAGE_SIZE, 0, PAGE_SIZE);
  17.         retVal = OsUserVmSpaceInit(space, ttb);
  18.         vmPage = OsVmVaddrToPage(ttb);
  19.         if ((retVal == FALSE) || (vmPage == NULL)) {
  20.             PRINT_ERR("create space failed! ret: %d, vmPage: %#x\n", retVal, vmPage);
  21.             processCB->processStatus = OS_PROCESS_FLAG_UNUSED;
  22.             (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, space);
  23.             LOS_PhysPagesFreeContiguous(ttb, 1);
  24.             return LOS_EAGAIN;
  25.         }
  26.         processCB->vmSpace = space;
  27.         LOS_ListAdd(&processCB->vmSpace->archMmu.ptList, &(vmPage->node));
  28.     } else { //*kfy 用户态进程分配用户空间
  29.         processCB->vmSpace = LOS_GetKVmSpace();
  30.     }
  31. }

  32. LosVmSpace *LOS_GetKVmSpace(VOID)
  33. {
  34.     return &g_kVmSpace;
  35. }
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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。
  1. LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsUserInitProcess(VOID)
  2. {
  3.     INT32 ret;
  4.     UINT32 size;
  5.     TSK_INIT_PARAM_S param = { 0 };
  6.     VOID *stack = NULL;
  7.     VOID *userText = NULL;
  8.     CHAR *userInitTextStart = (CHAR *)&__user_init_entry;//*kfy 代码区开始位置
  9.     CHAR *userInitBssStart = (CHAR *)&__user_init_bss;//*kyf 未初始化数据区(BSS)。在运行时改变其值
  10.     CHAR *userInitEnd = (CHAR *)&__user_init_end;//*kyf 结束地址
  11.     UINT32 initBssSize = userInitEnd - userInitBssStart;
  12.     UINT32 initSize = userInitEnd - userInitTextStart;

  13.     LosProcessCB *processCB = OS_PCB_FROM_PID(g_userInitProcess);
  14.     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
  15.     if (ret != LOS_OK) {
  16.         return ret;
  17.     }

  18.     userText = LOS_PhysPagesAllocContiguous(initSize >> PAGE_SHIFT);//*kyf 分配连续的物理页
  19.     if (userText == NULL) {
  20.         ret = LOS_NOK;
  21.         goto ERROR;
  22.     }

  23.     (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
  24.     ret = LOS_VaddrToPaddrMmap(processCB->vmSpace, (VADDR_T)(UINTPTR)userInitTextStart, LOS_PaddrQuery(userText),
  25.                                initSize, VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE |
  26.                                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
  27.     if (ret < 0) {
  28.         goto ERROR;
  29.     }

  30.     (VOID)memset_s((VOID *)((UINTPTR)userText + userInitBssStart - userInitTextStart), initBssSize, 0, initBssSize);//*kyf 除了代码段,其余都清0

  31.     stack = OsUserInitStackAlloc(g_userInitProcess, &size);//*kyf 初始化堆栈区
  32.     if (stack == NULL) {
  33.         PRINTK("user init process malloc user stack failed!\n");
  34.         ret = LOS_NOK;
  35.         goto ERROR;
  36.     }

  37.     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
  38.     param.userParam.userSP = (UINTPTR)stack + size;//*kyf 指向栈顶
  39.     param.userParam.userMapBase = (UINTPTR)stack;//*kyf 栈底
  40.     param.userParam.userMapSize = size;//*kyf 栈大小
  41.     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
  42.     ret = OsUserInitProcessStart(g_userInitProcess, ¶m);//*kyf 创建一个任务,来运行main函数
  43.     if (ret != LOS_OK) {
  44.         (VOID)OsUnMMap(processCB->vmSpace, param.userParam.userMapBase, param.userParam.userMapSize);
  45.         goto ERROR;
  46.     }

  47.     return LOS_OK;

  48. ERROR:
  49.     (VOID)LOS_PhysPagesFreeContiguous(userText, initSize >> PAGE_SHIFT);
  50.     OsDeInitPCB(processCB);
  51.     return ret;
  52. }
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
  1. #define LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE SIZE(0x800)//*kyf 内核进程,运行在内核空间2K
  2. #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
  3. #define OS_USER_TASK_STACK_SIZE         0x100000//*kyf 用户进程运行在用户空间的1M
复制代码
本文来源:图解鸿蒙源码逐行注释分析

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