鸿蒙内核源码分析（内存分配篇）：内存的分配方式有哪些

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本帖最后由 l_xy 于 2020-11-21 12:52 编辑

鸿蒙内核有多少代码

内存部分占了整个kernel代码量近30%，代码多实现复杂，而且内存部分还分了两个文件夹mem,vm大书特书，为什么要分两个文件夹？应该是鸿蒙内核开发者想从目录的名称上区分内存的层级概念，vm是内存模块的更底层实现，mem是提供给上层使用对vm层的调用。

mem层

mem层介绍可以参考 LiteOS > 开发指南> 内核开发指南> 内存> 概述看，有更详细的描述，这里结合代码说。

Huawei LiteOS的内存管理分为静态内存管理和动态内存管理，提供内存初始化、分配、释放等功能。

动态内存：在动态内存池中分配用户指定大小的内存块。

优点：按需分配。
缺点：内存池中可能出现碎片。

静态内存：在静态内存池中分配用户初始化时预设（固定）大小的内存块。

优点：分配和释放效率高，静态内存池中无碎片。
缺点：只能申请到初始化预设大小的内存块，不能按需申请。

动态内存管理，即在内存资源充足的情况下，从系统配置的一块比较大的连续内存（内存池），根据用户需求，分配任意大小的内存块。当用户不需要该内存块时，又可以释放回系统供下一次使用。与静态内存相比，动态内存管理的好处是按需分配，缺点是内存池中容易出现碎片。LiteOS动态内存支持DLINK和BEST LITTLE两种标准算法。

动态内存接口函数

动态内存管理模块为用户提供下面几种功能。

功能分类	接口名	描述
内存初始化	LOS_MemInit	初始化一块指定的动态内存池，大小为size。
申请动态内存	LOS_MemAlloc	从指定动态内存池中申请size长度的内存。
释放动态内存	LOS_MemFree	释放已申请的内存。
重新申请内存	LOS_MemRealloc	按size大小重新分配内存块，并保留原内存块内容。
内存对齐分配	LOS_MemAllocAlign	从指定动态内存池中申请长度为size且地址按boundary字节对齐的内存。
分析内存池状态	LOS_MemStatisticsGet	获取指定内存池的统计信息。
查看内存池中最大可用空闲块	LOS_MemGetMaxFreeBlkSize	获取指定内存池的最大可用空闲块。

这里LOS_MemAlloc被调用的情况，太长还有很多没截出来。

OsMemAllocWithCheck

采用内存池是嵌入式内存管理的一种常用做法，目的是减少申请和释放内存的开销，简单说就是先申请一大块内存，需要时从空闲链表中split，怎么切割鸿蒙就看最佳适应算法(best fit)，用完了回收，node进入空闲链表，并从小到大排序，如果相邻两块都是可用内存块就合并。直接看LOS_MemAlloc内主要函数OsMemAllocWithCheck代码

STATIC INLINE VOID *OsMemAllocWithCheck(VOID *pool, UINT32 size, UINT32 intSave)
{
LosMemDynNode *allocNode = NULL;
UINT32 allocSize;
LosMemPoolInfo *poolInfo = (LosMemPoolInfo *)pool;
const VOID *firstNode = (const VOID *)((UINT8 *)OS_MEM_HEAD_ADDR(pool) + OS_DLNK_HEAD_SIZE);
INT32 ret;
if (OsMemAllocCheck(pool, intSave) == LOS_NOK) {
return NULL;
}
allocSize = OS_MEM_ALIGN(size + OS_MEM_NODE_HEAD_SIZE, OS_MEM_ALIGN_SIZE);
if (allocSize == 0) {
return NULL;
}
retry:
allocNode = OsMemFindSuitableFreeBlock(pool, allocSize);//从内存池中找到合适的内存块
if (allocNode == NULL) {
if (poolInfo->flag & MEM_POOL_EXPAND_ENABLE) {
ret = OsMemPoolExpand(pool, allocSize, intSave);//木有找到就扩展内存池
if (ret == 0) {
goto retry;
}
}
return NULL;
}
if ((allocSize + OS_MEM_NODE_HEAD_SIZE + OS_MEM_ALIGN_SIZE) <= allocNode->selfNode.sizeAndFlag) {
OsMemSplitNode(pool, allocNode, allocSize);//找到了就劈开node
}
OsMemListDelete(&allocNode->selfNode.freeNodeInfo, firstNode);//从空闲双链表中删除该节点
return (allocNode + 1);
}

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它们唯一的区别是虚拟地址的开始位置和大小不一样，但是所有用户进程的虚拟地址都是一样的，注意用户进程是一样的，细品。

//内核虚拟空间初始化
BOOL OsKernVmSpaceInit(LosVmSpace *vmSpace, VADDR_T *virtTtb)
{
vmSpace->base = KERNEL_ASPACE_BASE;
vmSpace->size = KERNEL_ASPACE_SIZE;
vmSpace->mapBase = KERNEL_VMM_BASE;
vmSpace->mapSize = KERNEL_VMM_SIZE;
#ifdef LOSCFG_DRIVERS_TZDRIVER
vmSpace->codeStart = 0;
vmSpace->codeEnd = 0;
#endif
return OsVmSpaceInitCommon(vmSpace, virtTtb);
}
//动态分配空间初始化
BOOL OsVMallocSpaceInit(LosVmSpace *vmSpace, VADDR_T *virtTtb)
{
vmSpace->base = VMALLOC_START;
vmSpace->size = VMALLOC_SIZE;
vmSpace->mapBase = VMALLOC_START;
vmSpace->mapSize = VMALLOC_SIZE;
#ifdef LOSCFG_DRIVERS_TZDRIVER
vmSpace->codeStart = 0;
vmSpace->codeEnd = 0;
#endif
return OsVmSpaceInitCommon(vmSpace, virtTtb);
}
//用户虚拟空间初始化
BOOL OsUserVmSpaceInit(LosVmSpace *vmSpace, VADDR_T *virtTtb)
{
vmSpace->base = USER_ASPACE_BASE;
vmSpace->size = USER_ASPACE_SIZE;
vmSpace->mapBase = USER_MAP_BASE;
vmSpace->mapSize = USER_MAP_SIZE;
vmSpace->heapBase = USER_HEAP_BASE;
vmSpace->heapNow = USER_HEAP_BASE;
vmSpace->heap = NULL;
#ifdef LOSCFG_DRIVERS_TZDRIVER
vmSpace->codeStart = 0;
vmSpace->codeEnd = 0;
#endif
return OsVmSpaceInitCommon(vmSpace, virtTtb);
}

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这些空间都挂在 g_vmSpaceList 双循环链表上，LOS_SpaceGet可以通过虚拟地址反查是属于哪种空间。每一个空间都有一张页表和物理内存页表形成映射关系，虚拟内存和物理内存都是页对页的映射，两边每页都是4K，也必须是一样的！否则无法完成映射。具体如何映射的将在鸿蒙内核源码分析(内存映射篇)中说明，在调度算法切换进程时就需要切换至该进程自己的虚拟空间，即MMU上下文。

物理内存初始化

物理内存部分见代码: los_vm_phys.c，到了物理内存就没有什么进程，空间的概念了，只有页的概念！一页4K

物理内存的管理和分配都是围绕着页展开的，鸿蒙对物理内存使用了段页式管理，看代码吧，关键处都加了注释。

STATIC BOOL OsVmSpaceInitCommon(LosVmSpace *vmSpace, VADDR_T *virtTtb)
{
LOS_RbInitTree(&vmSpace->regionRbTree, OsRegionRbCmpKeyFn, OsRegionRbFreeFn, OsRegionRbGetKeyFn);//初始化虚拟存储区域-以红黑树组织方式
LOS_ListInit(&vmSpace->regions);//初始化虚拟存储区域-以双循环链表组织方式
status_t retval = LOS_MuxInit(&vmSpace->regionMux, NULL);//初始化互斥量
if (retval != LOS_OK) {
VM_ERR("Create mutex for vm space faiLED, status: %d", retval);
return FALSE;
}
(VOID)LOS_MuxAcquire(&g_vmSpaceListMux);
LOS_ListAdd(&g_vmSpaceList, &vmSpace->node);//加入到虚拟空间双循环链表
(VOID)LOS_MuxRelease(&g_vmSpaceListMux);
return OsArchMmuInit(&vmSpace->archMmu, virtTtb);//对空间mmu初始化
}
//通过虚拟地址获取所属空间地址
LosVmSpace *LOS_SpaceGet(VADDR_T vaddr)
{
if (LOS_IsKernelAddress(vaddr)) {
return LOS_GetKVmSpace();
} else if (LOS_IsUserAddress(vaddr)) {
return OsCurrProcessGet()->vmSpace;//当前进程的虚拟空间
} else if (LOS_IsVmallocAddress(vaddr)) {
return LOS_GetVmallocSpace();
} else {
return NULL;
}
}

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代码中可以看出初始化对物理内存做了几个动作：

1.对整个物理内存进行了分页，每页框4K，存放在大页表数组中 g_vmPageArray

2.段页绑定，根据g_physArea数组的大小来创建段，因数组里只有一条数据，所以只有一个段

3.初始化了回收双链表和置换算法，采用了LRU置换算法。

4.对每一页框进行了初始化，每个页框可用于分配，指定了物理地址，注意这是物理内存的页。

5.对伙伴算法初始化。

什么是伙伴算法？

简单的说就是把所有的空闲页面分为10个块组，每组中块的大小是2的幂次方个页面，例如，第0组中块的大小都为2的0次方（1个页面），第1组中块的大小为都为2的1次方（2个页面），第9组中块的大小都为2的9次方（512个页面）。也就是说，每一组中块的大小是相同的，且这同样大小的块形成一个链表，能看懂下面这张图的就看懂了伙伴算法，一个方块代表一个物理页框。

物理内存是怎么被分配的？

物理内存是以页为单位被分配的，详细看 LOS_PhysPagesAllocContiguous，看下哪些地方调用了它。

1.初始化进程块会用到 2.扩展内存池会用到，3，用户进程空间初始化会用到 4，内核动态分配的时候会到，这个上面已经讲过了。5.动态加载可执行程序会用到，LOS_PhysPagesAllocContiguous 调用的主要函数是：

/* Physical memory area array */
STATIC struct VmPhysArea g_physArea[] = {
{
.start = SYS_MEM_BASE, //整个物理内存基地址
.size = SYS_MEM_SIZE_DEFAULT,//整个物理内存总大小
},
};
//* page初始化
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));//校正 g_physArea size
nPage = OsVmPhysPageNumGet();//得到 g_physArea 总页数
g_vmPageArraySize = nPage * sizeof(LosVmPage);//页表总大小
g_vmPageArray = (LosVmPage *)OsVmBootMemAlloc(g_vmPageArraySize);//申请页表存放区域
OsVmPhysAreaSizeAdjust(ROUNDUP(g_vmPageArraySize, PAGE_SIZE));// g_physArea 变小
OsVmPhysSegAdd();// 段页绑定
OsVmPhysInit();// 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);//page初始化
}
OsVmPageOrderListInit(seg->pageBase, nPage);// 页面分配的排序
}
}
UINT32 OsVmPhysPageNumGet(VOID)
{
UINT32 nPages = 0;
INT32 i;
for (i = 0; i < (sizeof(g_physArea) / sizeof(g_physArea[0])); i++) {
nPages += g_physArea[i].size >> PAGE_SHIFT;//右移12位，相当于除以4K,得出总页数
}
return nPages;
}
VOID OsVmPhysSegAdd(VOID)
{
INT32 i, ret;
LOS_ASSERT(g_vmPhysSegNum <= VM_PHYS_SEG_MAX);
for (i = 0; i < (sizeof(g_physArea) / sizeof(g_physArea[0])); i++) {
ret = OsVmPhysSegCreate(g_physArea[i].start, g_physArea[i].size);//一个区对应一个段
if (ret != 0) {
VM_ERR("create phys seg failed");
}
}
}
STATIC VOID OsVmPageInit(LosVmPage *page, paddr_t pa, UINT8 segID)
{
LOS_ListInit(&page->node);//初始化链表节点
page->flags = FILE_PAGE_FREE;//默认空闲
LOS_AtomicSet(&page->refCounts, 0);//0次引用
page->physAddr = pa;//物理地址
page->segID = segID;//所属段
page->order = VM_LIST_ORDER_MAX;//伙伴算法默认级数
}