v17.04 鸿蒙内核源码分析(物理内存篇) | 怎么管理物理内存 | 百篇博客分析OpenHarmony源码
子曰：“志于道，据于德，依于仁，游于艺。” 《论语》：述而篇
百篇博客系列篇.本篇为:
v17.xx 鸿蒙内核源码分析(物理内存篇) | 怎么管理物理内存
内存管理相关篇为:
- v11.03 鸿蒙内核源码分析(内存分配) | 内存有哪些分配方式
- v12.04 鸿蒙内核源码分析(内存管理) | 虚拟内存全景图是怎样的
- v14.02 鸿蒙内核源码分析(内存汇编) | 谁是虚拟内存实现的基础
- v15.03 鸿蒙内核源码分析(内存映射) | 虚拟内存虚在哪里
- v16.02 鸿蒙内核源码分析(内存规则) | 内存管理到底在管什么
- v17.04 鸿蒙内核源码分析(物理内存) | 怎么管理物理内存
如何初始化物理内存?
鸿蒙内核物理内存采用了段页式管理，先看两个主要结构体.结构体的每个成员变量的含义都已经注解出来，请结合源码理解.
#define VM_LIST_ORDER_MAX 9 //伙伴算法分组数量，从 2^0，2^1，...，2^8 (256*4K)=1M
#define VM_PHYS_SEG_MAX 32 //最大支持32个段
typedef struct VmPhysSeg {//物理段描述符
PADDR_T start; /* The start of physical memory area */ //物理内存段的开始地址
size_t size; /* The size of physical memory area */ //物理内存段的大小
LosVmPage *pageBase; /* The first page address of this area */ //本段首个物理页框地址
SPIN_LOCK_S freeListLock; /* The buddy list spinlock */ //伙伴算法自旋锁，用于操作freeList上锁
struct VmFreeList freeList[VM_LIST_ORDER_MAX]; /* The free pages in the buddy list */ //伙伴算法的分组，默认分成10组 2^0，2^1，...，2^VM_LIST_ORDER_MAX
SPIN_LOCK_S lruLock; //用于置换的自旋锁，用于操作lruList
size_t lruSize[VM_NR_LRU_LISTS]; //5个双循环链表大小，如此方便得到size
LOS_DL_LIST lruList[VM_NR_LRU_LISTS]; //页面置换算法，5个双循环链表头，它们分别描述五中不同类型的链表
} LosVmPhysSeg;
//注意: vmPage 中并没有虚拟地址，只有物理地址
typedef struct VmPage { //物理页框描述符
LOS_DL_LIST node; /**< vm object dl list */ //虚拟内存节点，通过它挂/摘到全局g_vmPhysSeg[segID]->freeList[order]物理页框链表上
UINT32 index; /**< vm page index to vm object */ //索引位置
PADDR_T physAddr; /**< vm page physical addr */ //物理页框起始物理地址，只能用于计算，不会用于操作(读/写数据==)
Atomic refCounts; /**< vm page ref count */ //被引用次数，共享内存会被多次引用
UINT32 flags; /**< vm page flags */ //页标签，同时可以有多个标签（共享/引用/活动/被锁==）
UINT8 order; /**< vm page in which order list */ //被安置在伙伴算法的几号序列( 2^0，2^1，2^2，...，2^order)
UINT8 segID; /**< the segment id of vm page */ //所属段ID
UINT16 nPages; /**< the vm page is used for kernel heap */ //分配页数，标识从本页开始连续的几页将一块被分配
} LosVmPage;//注意:关于nPages和order的关系说明，当请求分配为5页时，order是等于3的，因为只有2^3才能满足5页的请求
理解它们是理解物理内存管理的关键，尤其是 LosVmPage ，鸿蒙内存模块代码通篇都能看到它的影子.内核默认最大允许管理32个段.
段页式管理简单说就是先将物理内存切成一段段，每段再切成单位为 4K 的物理页框， 页是在内核层的操作单元， 物理内存的分配，置换，缺页，内存共享，文件高速缓存的读写，都是以页为单位的，所以LosVmPage 很重要，很重要!
结构体的每个变量代表了一个个的功能点， 结构体中频繁了出现LOS_DL_LIST的身影，双向链表是鸿蒙内核最重要的结构体，在系列篇开篇就专门讲过它的重要性.
再比如 LosVmPage.refCounts 页被引用的次数，可理解被进程拥有的次数，当refCounts大于1时，被多个进程所拥有，说明这页就是共享页.当等于0时，说明没有进程在使用了，这时就可以被释放了.
看到这里熟悉JAVA的同学是不是似曾相识，这像是Java的内存回收机制.在内核层面，引用的概念不仅仅适用于内存模块，也适用于其他模块，比如文件/设备模块，同样都存在共享的场景.这些模块不在这里展开说，后续有专门的章节细讲.
段一开始是怎么划分的 ? 需要方案提供商手动配置，存在静态的全局变量中，鸿蒙默认只配置了一段.
struct VmPhysSeg g_vmPhysSeg[VM_PHYS_SEG_MAX];//物理段数组，最大32段
INT32 g_vmPhysSegNum = 0; //总段数
LosVmPage *g_vmPageArray = NULL;//物理页框数组
size_t g_vmPageArraySize;//总物理页框数
/* Physical memory area array */
STATIC struct VmPhysArea g_physArea[] = {//这里只有一个区域，即只生成一个段
{
.start = SYS_MEM_BASE， //整个物理内存基地址，#define SYS_MEM_BASE DDR_MEM_ADDR ， 0x80000000
.size = SYS_MEM_SIZE_DEFAULT，//整个物理内存总大小 0x07f00000
}，
};
有了段和这些全局变量，就可以对内存初始化了. OsVmPageStartup 是对物理内存的初始化， 它被整个系统内存初始化 OsSysMemInit所调用. 直接上代码.
/******************************************************************************
完成对物理内存整体初始化，本函数一定运行在实模式下
1.申请大块内存g_vmPageArray存放LosVmPage，按4K一页划分物理内存存放在数组中.
******************************************************************************/
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);//实模式下申请内存，此时还没有初始化MMU
OsVmPhysAreaSizeAdjust(ROUNDUP(g_vmPageArraySize， PAGE_SIZE));//
OsVmPhysSegAdd();// 完成对段的初始化
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++) {//遍历物理段，将段切成一页一页
seg = &g_vmPhysSeg[segID];
nPage = seg->size >> PAGE_SHIFT;//本段总页数
for (page = seg->pageBase， pa = seg->start; page <= seg->pageBase + nPage;//遍历，算出每个页框的物理地址
page++， pa += PAGE_SIZE) {
OsVmPageInit(page， pa， segID);//对物理页框进行初始化，注意每页的物理地址都不一样
}
OsVmPageOrderListInit(seg->pageBase， nPage);//伙伴算法初始化，将所有页加入空闲链表供分配
}
}
结合中文注释，代码很好理解， 此番操作之后全局变量里的值就都各就各位了，可以开始工作了.
如何分配/回收物理内存? 答案是伙伴算法
伙伴算法系列篇中有说过好几篇，这里再看图理解下什么伙伴算法，伙伴算法注重物理内存的连续性，注意是连续性!
结合图比如，要分配4(2^2)页（16k）的内存空间，算法会先从free_area2中查看free链表是否为空，如果有空闲块，则从中分配，如果没有空闲块，就从它的上一级free_area3（每块32K）中分配出16K，并将多余的内存（16K）加入到free_area2中去。如果free_area3也没有空闲，则从更上一级申请空间，依次递推，直到free_area max_order，如果顶级都没有空间，那么就报告分配失败。
释放是申请的逆过程，当释放一个内存块时，先在其对于的free_area链表中查找是否有伙伴存在，如果没有伙伴块，直接将释放的块插入链表头。如果有或板块的存在，则将其从链表摘下，合并成一个大块，然后继续查找合并后的块在更大一级链表中是否有伙伴的存在，直至不能合并或者已经合并至最大块2^max_order为止。
看过系列篇文章的可能都发现了，笔者喜欢用讲故事和打比方来说明内核运作机制， 为了更好的理解，同样打个比方， 笔者认为伙伴算法很像是卖标准猪肉块的算法.
物理内存是一整头猪，已经切成了1斤1斤的了，但是还都连在一起，每一斤上都贴了个标号， 而且老板只按 1斤(2^0)， 2斤(2^1)， 4斤(22)，...256斤(28)的方式来卖.售货柜上分成了9组
张三来了要7斤猪肉，怎么办? 给8斤，注意是给8斤啊 ，因为它要严格按它的标准来卖.张三如果归还了，查看现有8斤组里有没有序号能连在一块的，有的话2个8斤合成16斤，放到16斤组里去. 如果没有这8斤猪肉将挂到上图中第2组(2^3)再卖.
大家脑海中有画面了吗? 那么问题来了，它为什么要这么卖猪肉，好处是什么? 简单啊:至少两个好处:
第一:卖肉速度快，效率高，标准化的东西最好卖了.
第二:可防止碎肉太多，后面的人想买大块的猪肉买不到了. 请仔细想想是不是这样的?如果每次客户来了要多少就割多少出去，运行一段时候后你还能买到10斤连在一块的猪肉吗? 很可能给是一包碎肉，里面甚至还有一两一两的边角肉，碎肉的结果必然是管理麻烦，效率低啊.如果按伙伴算法的结果是运行一段时候后，图中0，1，2各组中都有可卖的猪肉啊，张三哥归还了那8斤(其实他指向要7斤)猪肉，王五兄弟来了要6斤，直接把张三哥归还的给王五就行了.效率极高.
那么问题又来了，凡事总有两面性，它的坏处是什么? 也简单啊 :至少两个坏处:
第一:浪费了!，白给的三斤对王五没用啊，浪费的问题有其他办法解决，但不是在这个层面去解决，而是由 slab分配器解决，这里不重点说后续会专门讲slab分配器是如何解决这个问题的.
第二:合并要求太严格了，一定得是伙伴(连续)才能合并成更大的块.这样也会导致时间久了很难有大块的连续性的猪肉块.
比方打完了，鸿蒙内核是如何实现卖肉算法的呢? 请看代码
LosVmPage *OsVmPhysPagesAlloc(struct VmPhysSeg *seg， size_t nPages)
{
struct VmFreeList *list = NULL;
LosVmPage *page = NULL;
UINT32 order;
UINT32 newOrder;
if ((seg == NULL) || (nPages == 0)) {
return NULL;
}
//因为伙伴算法分配单元是 1，2，4，8 页，比如nPages = 3时，就需要从 4号空闲链表中分，剩余的1页需要劈开放到1号空闲链表中
order = OsVmPagesToOrder(nPages);//根据页数计算出用哪个块组
if (order < VM_LIST_ORDER_MAX) {//order不能大于9 即:256*4K = 1M 可理解为向内核堆申请内存一次不能超过1M
for (newOrder = order; newOrder < VM_LIST_ORDER_MAX; newOrder++) {//没有就找更大块
list = &seg->freeList[newOrder];//从最合适的块处开始找
if (LOS_ListEmpty(&list->node)) {//理想情况链表为空，说明没找到
continue;//继续找更大块的
}
page = LOS_DL_LIST_ENTRY(LOS_DL_LIST_FIRST(&list->node)， LosVmPage， node);//找第一个节点就行，因为链表上挂的都是同样大小物理页框
goto DONE;
}
}
return NULL;
DONE:
OsVmPhysFreeListDelUnsafe(page);//将物理页框从链表上摘出来
OsVmPhysPagesSpiltUnsafe(page， order， newOrder);//将物理页框劈开，把用不了的页再挂到对应的空闲链表上
return page;
}
/******************************************************************************
本函数很像卖猪肉的，拿一大块肉剁，先把多余的放回到小块肉堆里去.
oldOrder:原本要买 2^2肉
newOrder:却找到个 2^8肉块
******************************************************************************/
STATIC VOID OsVmPhysPagesSpiltUnsafe(LosVmPage *page， UINT8 oldOrder， UINT8 newOrder)
{
UINT32 order;
LosVmPage *buddyPage = NULL;
for (order = newOrder; order > oldOrder;) {//把肉剁碎的过程，把多余的肉块切成2^7，2^6...标准块，
order--;//越切越小，逐一挂到对应的空闲链表上
buddyPage = &page[VM_ORDER_TO_PAGES(order)];//@note_good 先把多余的肉割出来，这句代码很赞!因为LosVmPage本身是在一个大数组上，page[nPages]可直接定位
LOS_ASSERT(buddyPage->order == VM_LIST_ORDER_MAX);//没挂到伙伴算法对应组块空闲链表上的物理页框的order必须是VM_LIST_ORDER_MAX
OsVmPhysFreeListAddUnsafe(buddyPage， order);//将劈开的节点挂到对应序号的链表上，buddyPage->order = order
}
}
为了方便理解代码细节， 这里说一种情况: 比如三哥要买3斤的，发现4斤，8斤的都没有了，只有16斤的怎么办? 注意不会给16斤，只会给4斤.这时需要把肉劈开，劈成 8，4，4，其中4斤给张三哥，将剩下的8斤，4斤挂到对应链表上. OsVmPhysPagesSpiltUnsafe 干的就是劈猪肉的活.
伙伴算法的链表是怎么初始化的，再看段代码
//初始化空闲链表，分配物理页框使用伙伴算法
STATIC INLINE VOID OsVmPhysFreeListInit(struct VmPhysSeg *seg)
{
int i;
UINT32 intSave;
struct VmFreeList *list = NULL;
LOS_SpinInit(&seg->freeListLock);//初始化用于分配的自旋锁
LOS_SpinLockSave(&seg->freeListLock， &intSave);
for (i = 0; i < VM_LIST_ORDER_MAX; i++) {//遍历伙伴算法空闲块组链表
list = &seg->freeList[i]; //一个个来
LOS_ListInit(&list->node); //LosVmPage.node将挂到list->node上
list->listCnt = 0; //链表上的数量默认0
}
LOS_SpinUnlockRestore(&seg->freeListLock， intSave);
}
鸿蒙是面向未来设计的系统，高瞻远瞩，格局远大，设计精良， 海量知识点， 对内核源码加上中文注解已有三个多月，越深入精读内核源码，越能感受到设计者的精巧用心，创新突破， 向开发者致敬. 可以毫不夸张的说鸿蒙内核源码可作为大学C语言，数据结构，操作系统，汇编语言 四门课程的教学项目.如此宝库，不深入研究实在是暴殄天物，于心不忍.
百篇博客分析.深挖内核地基
- 给鸿蒙内核源码加注释过程中，整理出以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。 😛
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