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【读书笔记-《30天自制操作系统》-8】Day9

本篇的主题围绕着内存管理进行展开。首先编写了内存容量获取的程序，接下来详细讲解了内存管理的具体内容，以及两种实现内存管理的方式。在这里插入图片描述

1. 内存容量获取

前面已经实现了访问内存的扩展，能够使用的内存大大增加了。但是不同的应用程序在运行时，对内存的使用会有不同的要求，这就需要操作系统实现一个内存管理的功能，以确保各个应用程序都能够正常运行。

管理内存的第一步，当然是先要了解内存有多少，地址范围是哪里。内存相关的信息可以从BIOS获取，但不同的版本BIOS调用方式可能不同，因此这里作者决定自行开发程序去检查内存。

检查内存之前还需要先讲解一下CPU高速缓存(cache)的功能。
由于CPU的寄存器容量太小，而频繁从内存读写又会严重影响CPU的处理速度，考虑到这些，英特尔的CPU开发者们在CPU中增加了一些存储空间，被称为高速缓冲存储器(cache memory)。这一部分存储的读写速度能够跟得上CPU的处理速度，但是由于芯片造价太高，这部分的存储相比内存来说仍然很小，比如128KB。而这部分高速缓存是这样使用的：每次访问内存，都将所访问的内存地址和内容存入高速缓存。这样下次再读取内存时，先从高速缓存中查找，找到了之后就立即返回；同理，写入内存时，如果直接写入内存，在等待内存写入期间，CPU处于空闲状态。所以先写入高速缓存，缓存控制电路再配合内存的速度慢慢发送内存写入命令。
另外程序中遇到循环的地方也不少。比如for循环中，会多次改变循环变量i的值，即多次更改同一个内存地址的值。如果每一次更改都直接访问内存，很明显会拖慢CPU的处理速度。因此中间的过程都尽量在缓存中进行处理，到最后循环完成之后再将循环变量的值更新到内存中。
实际内存检查的过程，是需要向内存中写入一个任意值，再读取出来检查读取值是否与写入值相等。但如果开启了缓存功能，实际值会从缓存中读出，而不是实际访问内存，这样的检查结果都是“正常”，就无法达到实际检查内存的效果。
所以在具体执行内存检查前，需要将缓存功能关闭。内存检查相关代码如下：

#define EFLAGS_AC_BIT		0x00040000
#define CR0_CACHE_DISABLE	0x60000000

unsigned int memtest(unsigned int start, unsigned int end)
{
	char flg486 = 0;
	unsigned int eflg, cr0, i;

	/* 确认CPU是386还是486以上的 */
	eflg = io_load_eflags();
	eflg |= EFLAGS_AC_BIT; /* AC-bit = 1 */
	io_store_eflags(eflg);
	eflg = io_load_eflags();
	if ((eflg & EFLAGS_AC_BIT) != 0) { /* 如果CPU是386，设定AC=1后AC值还是会回到0 */
		flg486 = 1;
	}
	eflg &= ~EFLAGS_AC_BIT; /* AC-bit = 0 */
	io_store_eflags(eflg);

	if (flg486 != 0) {
		cr0 = load_cr0();
		cr0 |= CR0_CACHE_DISABLE; /* 禁止缓存 */
		store_cr0(cr0);
	}

	i = memtest_sub(start, end);

	if (flg486 != 0) {
		cr0 = load_cr0();
		cr0 &= ~CR0_CACHE_DISABLE; /* 允许缓存 */
		store_cr0(cr0);
	}

	return i;
}

unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
{
	unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;
	for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {
		p = (unsigned int *) (i + 0xffc);
		old = *p;			/* 记录修改前的值 */
		*p = pat0;			/* 试写 */
		*p ^= 0xffffffff;	/* 反转 */
		if (*p != pat1) {	/* 检查反转结果 */
not_memory:
			*p = old;
			break;
		}
		*p ^= 0xffffffff;	/* 再次反转 */
		if (*p != pat0) {	/* 检查值是否恢复 */
			goto not_memory;
		}
		*p = old;			/* 恢复为修改前的值 */
	}
	return i;
}

首先通过EFLAGS确认CPU是386还是486。如果是486以上的CPU，EFLAGS寄存器的第18位是AC标志位，而对于386的CPU，这一位始终是0。先将这一位写入1，再读出EFLAGS查看这一位是否仍然是1。用完之后再将AC这一位重新设置为0。
确认CPU为486以上，接下来就需要禁用缓存(高速缓存是从486开始引入的)。
禁用缓存需要操作cr0寄存器，用到的load_cr0与store_cr0函数也需要用汇编语言进行编写：

_load_cr0:		; int load_cr0(void);
		MOV		EAX,CR0
		RET

_store_cr0:		; void store_cr0(int cr0);
		MOV		EAX,[ESP+4]
		MOV		CR0,EAX
		RET

memtest_sub函数则是实际进行内存检查的处理。这里的操作是首先记录需要被检查的内存地址的内容，然后向该内存地址进行写入读取测试。之所以要进行反转，是因为有些机型不这样做会直接读出写入的数据。

每次增加4个字节，把所有内存地址都读写一遍，运行速度会很慢。其实BIOS之前已经检查过内存了，应该没什么问题，这里主要是获取容量。为了加快执行速度，修改为每次增加0x1000，并且p指针修改为p = i + 0xffc，即每4K检查最后的4个字节，这样就可以了。

接下来在主程序中调用，对0x00400000~0xbfffffff范围的内存进行检查。

	i = memtest(0x00400000, 0xbfffffff) / (1024 * 1024);
	sprintf(s, "memory %dMB", i);
	putfonts8_asc(binfo->vram, binfo->scrnx, 0, 32, COL8_FFFFFF, s);

根据上文的内存分布图，0x00400000之前的内存已经被使用了，应用程序不会运行到这里，因此不需要检查。因为是在QEMU虚拟机上进行运行，根据虚拟机的设置内存应该是32MB。运行：
在这里插入图片描述
实际结果和预期不符。为什么呢？

原因出在编译器上。
上面执行内存检查的memtest_sub程序，编译器在编译的过程中进行了优化，而这种优化导致没有实现我们预期的结果。

与我们的预期不同，编译器可能是按照以下思路进行优化的。

首先，写入pat0再反转，与pat1进行比较，编译器认为这一定是相等的，于是if(*p != pat1)得不到执行，编译过程中干脆删掉了。同理，下面再反转，与pat0进行比较，也被认为是一定相等的，于是下面的if语句也被删除掉了。程序于是变成了下面的样子：

unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
{
	unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;
	for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {
		p = (unsigned int *) (i + 0xffc);
		
		old = *p;
		*p = pat0;
		*p ^= 0xffffffff;
		*p ^= 0xffffffff;
		*p = old;
		}
		return i; 
}

这样看来，两次反转之后又回到原来的值，没什么意义，也删掉。

unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
{
	unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;
	for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {
		p = (unsigned int *) (i + 0xffc);
		
		old = *p;
		*p = pat0;
		*p = old;
		}
		return i; 
}

既然 *p最终被赋值为old，那中间的*p = pat0也没有意义了，删掉。

unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
{
	unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;
	for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {
		p = (unsigned int *) (i + 0xffc);
		
		old = *p;
		*p = old;
		}
		return i; 
}

old = *p，紧接着又是*p = old？这有什么意义？删掉删掉。

unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
{
	unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;
	for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {
		p = (unsigned int *) (i + 0xffc);
		}
		return i; 
}

虽然计算了p，但是完全没用到p的值，也删掉吧。于是最后编译出来的程序实现的是这样的效果：

unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
{
	unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;
	for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {}
		return i; 
}

已经面目全非了，而且最终返回的就是end的值，并没有达到我们预期的目的。
当然编译器的优化还是有其用武之地的，还不能将优化关闭掉。只是这里我们需要严格按照设计一步一步进行执行，因此这里还是用汇编语言进行编写：

_memtest_sub:	; unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
		PUSH	EDI						; 
		PUSH	ESI
		PUSH	EBX
		MOV		ESI,0xaa55aa55			; pat0 = 0xaa55aa55;
		MOV		EDI,0x55aa55aa			; pat1 = 0x55aa55aa;
		MOV		EAX,[ESP+12+4]			; i = start;
mts_loop:
		MOV		EBX,EAX
		ADD		EBX,0xffc				; p = i + 0xffc;
		MOV		EDX,[EBX]				; old = *p;
		MOV		[EBX],ESI				; *p = pat0;
		XOR		DWORD [EBX],0xffffffff	; *p ^= 0xffffffff;
		CMP		EDI,[EBX]				; if (*p != pat1) goto fin;
		JNE		mts_fin
		XOR		DWORD [EBX],0xffffffff	; *p ^= 0xffffffff;
		CMP		ESI,[EBX]				; if (*p != pat0) goto fin;
		JNE		mts_fin
		MOV		[EBX],EDX				; *p = old;
		ADD		EAX,0x1000				; i += 0x1000;
		CMP		EAX,[ESP+12+8]			; if (i <= end) goto mts_loop;
		JBE		mts_loop
		POP		EBX
		POP		ESI
		POP		EDI
		RET
mts_fin:
		MOV		[EBX],EDX				; *p = old;
		POP		EBX
		POP		ESI
		POP		EDI
		RET

再运行之后，获取到的内存容量就正常了：
在这里插入图片描述2. 内存管理

获取内存容量之后可以着手进行内存管理部分的开发了。简单来说，操作系统需要管理不同应用程序的内存使用需求，一方面是内存分配，一方面是内存释放。

首先假设共有128MB的内存，以4KB为单位进行管理，如何操作呢？下面从简单的情况开始逐一说明。

（1）128MB内存包含32768个4KB，这样我们创建32768字节的区域，用写入0或1来标记空闲或使用。

char a[32768];
for(i = 0; i < 1024; i++)
{
	a[i] = 1; /* 将4MB的内存标记为使用 */
}
for(i = 1024; i < 32768; i++)
{
	a[i] = 0;
}

比如需要100KB的空间，只要从a中找出连续25个标记为0的位置：

j = 0;
onemoretime:
for(i = 0;i < 25;i++)
{
	if(a[j + 1] != 0)
	{
		j++;
		if(j < 32768 -25)
		{
			goto onemoretime;
		}
		// no more memeory available
	}
}

找到了足够的地址，就将a中的地方标记为1表示正在使用。因为是以4KB(0x1000)字节为单位进行管理的，只需将j放大0x1000倍就可以计算出地址了。
同理，要释放这部分内存，用起始地址除以0x1000可以计算出j，再将对应的数组成员标记为0即可。
这样的管理方式比较方便，但占用的空间还是大了一点。其实只用来存储0或1，用比特位代替字节存储就可以，这样占用空间可用进一步缩小。

（2）还有一种列表管理的方法，是把类似于“从xxx号地址开始的yyy字节的空间是空着的”保存在列表里。

struct FREEINFO{ /* 用于保存可用状况*/
	unsigned int addr, size;
};

struct MEMMAN{	/* 内存管理*/
	int frees;
	struct FREEINFO free[1000];
};

	struct MEMMAN memman;
	memman.frees = 1; /* 可用状况list中只有1条*/
	memman.free[0].addr = 0x00400000;	/* 从0x00400000号地址开始，有124MB可用*/
	memman.free[0].size = 0x07c00000;

简单理解，就是一个列表中保存了一条一条的空闲内存信息，包括起始地址和内存大小。
用这种方法管理内存的优点在于占用的内存少，分配速度快。不管一条信息保存的内存有多大，占用的空间都是固定的8字节。这里设置1000的数组也会有富余，因为可用空间不会这么的分散，实际占用的空间可能会更小。而将一段内存分配出去只需要将起始地址后移，将可用长度减少，执行两次运算就可以了。

当然这样的管理方法也有缺陷。采用这样的分配方法，时间长了可用的内存段会变得很零碎。如果此时需要分配较大的内存时，虽然有很多零散的小块内存，却无法分配给应用程序使用。

作者这里采用的就是第二种方法，并在此基础上采取了一些改进措施。对于零碎而无法分配使用的内存，暂时舍弃，在后续有机会时再对零碎的内存整合起来。程序如下：

#define MEMMAN_FREES		4090	/* 大约32KB */
#define MEMMAN_ADDR			0x003c0000

struct FREEINFO {	/* 可用信息 */
	unsigned int addr, size;
};

struct MEMMAN {		/* 内存管理 */
	int frees, maxfrees, lostsize, losts;
	struct FREEINFO free[MEMMAN_FREES];
};

void memman_init(struct MEMMAN *man)
{
	man->frees = 0;			/* 可用信息数目 */
	man->maxfrees = 0;		/* 用于观察可用状况，frees的最大值 */
	man->lostsize = 0;		/* 释放失败的内存的大小总和 */
	man->losts = 0;			/* 释放失败次数 */
	return;
}

unsigned int memman_total(struct MEMMAN *man)
/* 报告空余内存大小的合计 */
{
	unsigned int i, t = 0;
	for (i = 0; i < man->frees; i++) {
		t += man->free[i].size;
	}
	return t;
}

unsigned int memman_alloc(struct MEMMAN *man, unsigned int size)
/* 分配 */
{
	unsigned int i, a;
	for (i = 0; i < man->frees; i++) {
		if (man->free[i].size >= size) {
			/*找到了足够大的内存 */
			a = man->free[i].addr;
			man->free[i].addr += size;
			man->free[i].size -= size;
			if (man->free[i].size == 0) {
				/* free[i].size变成0，减掉一条可用信息 */
				man->frees--;
				for (; i < man->frees; i++) {
					man->free[i] = man->free[i + 1]; /* 代入结构体 */
				}
			}
			return a;
		}
	}
	return 0; /* 没有可用内存 */
}

分配内存的程序不难理解。下面释放内存函数略复杂一些：

int memman_free(struct MEMMAN *man, unsigned int addr, unsigned int size)
/* 内存释放程序 */
{
	int i, j;
	/* 为了便于归纳内存，将free[]按照addr的顺序排列 */
	/* 先决定应该放在哪里 */
	for (i = 0; i < man->frees; i++) {
		if (man->free[i].addr > addr) {
			break;
		}
	}
	/* free[i - 1].addr < addr < free[i].addr */
	if (i > 0) {
		/* 前面有可用内存 */
		if (man->free[i - 1].addr + man->free[i - 1].size == addr) {
			/* 可以与前面的可用内存归纳到一起 */
			man->free[i - 1].size += size;
			if (i < man->frees) {
				/* 后面也有可用内存 */
				if (addr + size == man->free[i].addr) {
					/* 可用与后面的可用内存归纳到一起 */
					man->free[i - 1].size += man->free[i].size;
					/* man->free[i]删除 */
					/* free[i]变成0后归纳到前面去 */
					man->frees--;
					for (; i < man->frees; i++) {
						man->free[i] = man->free[i + 1]; /* 通过移位给结构体重新赋值 */
					}
				}
			}
			return 0; /* 成功完成 */
		}
	}
	/* 不能与前面的可用空间归纳到一起 */
	if (i < man->frees) {
		/* 后面还有可用空间 */
		if (addr + size == man->free[i].addr) {
			/* 可以与后面的可用空间归纳到一起 */
			man->free[i].addr = addr;
			man->free[i].size += size;
			return 0; /* 成功完成 */
		}
	}
	/* 既不能与前面的可用空间归纳到一起，也不能与后面的归纳到一起 */
	if (man->frees < MEMMAN_FREES) {
		/* free[i]之后的，向后移动，腾出可用空间 */
		for (j = man->frees; j > i; j--) {
			man->free[j] = man->free[j - 1];
		}
		man->frees++;
		if (man->maxfrees < man->frees) {
			man->maxfrees = man->frees; /* 更新最大值 */
		}
		man->free[i].addr = addr;
		man->free[i].size = size;
		return 0; /* 成功完成 */
	}
	/* 不能往后移动 */
	man->losts++;
	man->lostsize += size;
	return -1; /* 失败 */
}

其实释放内存的本质还是在列表中给一段内存找位置，能合并则合并，实在不能合并就在列表中新增一项。代码看起来有些复杂，多读几遍还是能明白意思的。

下一篇会处理之前鼠标遗留的一点小问题，优化鼠标显示。敬请期待。

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