【深圳大学操作系统】实验三内存分配与回收

实验目的

(1)、掌握计算机操作系统管理进程、处理机、存储器、文件系统的基本方法。

(2)、了解进程的创建、撤消和运行，进程并发执行；自行设计解决哲学家就餐问题的并发线程，了解线程（进程）调度方法；掌握内存空间的分配与回收的基本原理；通过模拟文件管理的工作过程，了解文件操作命令的实质。

(3)、了解现代计算机操作系统的工作原理，具有初步分析、设计操作系统的能力。

(4)、通过在计算机上编程实现操作系统中的各种管理功能，在系统程序设计能力方面得到提升。

实验要求

(1)、回答以下问题：

kmem中的freelist指针指向空闲物理块链表。空闲物理块链表中的节点为run结构体。但是：

可以看到这个结构体只有指向下一个节点的指针。请解释这个链表中的空闲物理块保存在哪里呢？

(2)、大作业partI-4其中一个问题：

(vm.c L151) kpgdir = setupkvm();

通过setupkvm函数，创建了调度器所用的页表。请深入setupkvm函数内部，确定在创建页表过程中，总共调用了多少次kalloc函数分配4K物理块用于存放页表项？

请编程验证大作业partI-4的理论推导结果，在终端中输出在setupkvm函数中调用kalloc函数的次数。

实验内容

(1)、回答以下问题：

kmem中的freelist指针指向空闲物理块链表。空闲物理块链表中的节点为run结构体。但是：

可以看到这个结构体只有指向下一个节点的指针。请解释这个链表中的空闲物理块保存在哪里呢？

首先观察kallow.c中，用于内存页管理的结构体的定义。起初，锁struct spinlock lock是未启动的，调用kinit()后锁才被使用。其中struct run *freelist就是空闲物理块链表。

kinit函数用于初始化内核的内存管理系统，以便内核可以分配和释放物理内存。kinit函数中，调用了initlock函数和freerange函数。

initlock函数初始化内核锁kmem.lock，锁被用于在内核中对物理内存的分配和释放进行同步。

freerange函数的作用是将一段物理地址空间从pa_start到pa_end之间的内存页设置为空闲状态，以便后续的内存分配可以使用这些空闲内存。

PGROUNDUP是一个宏定义，用于将一个地址向上对齐到页面边界。它的作用是保证对齐后的地址恰好是一个页面的起始地址。

PGROUNDUP((uint64)pa_start)用于将参数pa_start指向的物理地址向上对齐到页面边界，并将对齐后的地址赋值给指针变量p。这是因为内存管理系统中的页面大小固定为4KB，因此需要将空闲内存区域的起始地址对齐到页面边界，以便后续的内存分配可以按照页面大小进行。

然后，使用一个循环来遍历从p开始的每个页面，并将每个页表的首地址赋给p，直到p达到pa_end为止。在循环中，对于每个页面，调用kfree函数将其设置为空闲状态。

kfree函数用于将一个页框释放回空闲页框列表中。

首先判断该首地址是否内存对齐(即pa是否是页表首地址)，以及是否在end----PHYSTOP范围内。

接着，函数会将 pa 所在的页框转换成 struct run 结构，然后将这个结构添加到内核管理的空闲页框列表 kmem.freelist 的头部。

最后，函数释放 kmem.lock，解除对内存管理数据结构的独占访问，允许其他线程执行相应的内存管理操作。

kalloc函数的作用是分配一个4096字节的物理内存页并返回内核可以使用的指针。如果无法分配内存，则返回0。

首先通过acquire()函数获得了kmem.lock的锁。然后，它从内核空间的自由空闲列表中获取一个空闲的物理内存页，即获取一个struct run结构体。

如果成功获取，则更新freelist，相当于从空闲页列表中移除r指向的内存页。然后，通过release()函数释放kmem.lock的锁。

如果成功获取了一个物理内存页，则将该页用5填充，以便之后检测该页帧是否被错误地使用。

最后，将物理页帧的指针转换为void指针并返回。

如果自由空闲列表为空，则函数返回空指针。在这种情况下，需要调用者考虑如何处理分配失败的情况。

kmem 是在操作系统内核的 memlayout.h 文件中定义的全局变量，它是用于管理内核空间内存的数据结构。在 kalloc() 和 kfree() 中，都会访问 kmem 中的 freelist 成员，以进行空闲内存块的分配和释放。

在xv6中，kmem中的freelist指针指向空闲物理块链表，链表中每个节点都是一个struct run结构体，表示一个空闲的物理内存块。每个物理内存块都是以一页大小（PGSIZE）为单位的，而每个物理内存块的地址就是该节点（struct run）的地址。所以kmem中的freelist指针实际上指向了一个struct run类型的内存块，也就是空闲物理块链表中的第一个节点。链表中每个节点只包含指向下一个节点的指针，因此可以通过这些指针遍历整个链表，找到一个空闲的物理内存块。

当需要分配一个物理内存块时，会从空闲物理块链表中取出第一个节点（即kmem.freelist指针所指向的节点），然后将kmem.freelist指针指向下一个节点，这样就从链表中移除了这个物理内存块。当需要释放一个物理内存块时，会将其转换成一个struct run类型的节点，并将其加入到空闲物理块链表的头部，成为新的第一个节点。

因此，空闲物理块并没有被保存在一个特定的数据结构中，而是作为一个物理内存块的一部分，通过链表的指针链接在一起，形成一个空闲物理块链表。