《30天自制操作系统》笔记(07)——内存管理
进度回顾
上一篇中处理掉了绝大部分与CPU配置相关的东西。本篇介绍内存管理的思路和算法。
现在想想，从软件工程师的角度看，CPU也只是一个软件而已：它的功能就是加载指令、执行指令和响应中断，而响应中断也是在加载指令、执行指令。就像火车沿着一条环形铁轨前进；当中断发生时，就好像铁轨岔口处变轨了，火车就顺着另一条轨迹走了；走完之后又绕回来重新开始。决定CPU是否变轨的，就是CPU里的特定寄存器。
这是题外话，就此为止。
什么是内存管理
假设内存大小是128MB，应用程序A暂时需要100KB，画面控制需要1.2MB……。
像这样，操作系统有时要分配一定大小的内存，用完后又要收回。因此，必须管理好哪些内存空闲可用，哪些正在被占用。这就是内存管理。
内存管理的两个任务，一是内存分配，一是内存释放。
如何获取内存容量
检查内存容量的方法
要管理内存，首先得知道操作系统所在的这个计算机内存有多大。检查内存容量的方法很简单，就是从要检查的起始位置到最后位置依次写入一个数值（例如0xaa55aa55），然后按位反转，检查是否正确地完成了反转（变成0x55aa55aa）；然后再次反转，检查是否正确地完成了反转。如果反转结果都是正确的，说明这个地址的内存是存在的；否则就说明内存的最大地址就到此为止了。其代码如下。
1 unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
2 {
3 unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;
4 for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {
5 p = (unsigned int *) (i + 0xffc);
6 old = *p; /* 先记住修改前的值 */
7 *p = pat0; /* 试写 */
8 *p ^= 0xffffffff; /* 反转 */
9 if (*p != pat1) { /* 检查反转结果 */
10 not_memory:
11 *p = old;
12 break;
13 }
14 *p ^= 0xffffffff; /* 再次反转 */
15 if (*p != pat0) { /* 检查是否恢复 */
16 goto not_memory;
17 }
18 *p = old; /* 恢复为修改前的值 */
19 }
20 return i;
21 }
但直接用C语言来写这个函数的话，C编译器会把它优化成这个样子。
1 unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
2 {
3 unsigned int i, *p, old, pat0 = 0xaa55aa55, pat1 = 0x55aa55aa;
4 for (i = start; i <= end; i += 0x1000) {
5 //全部被优化掉 了
6 }
7 return i;
8 }
C编译器不会理睬"内存到头了"这种事情，它只在应用程序的层面看问题。所以它认为for循环里的if判定都是必然为真（或为假）的，认为没有被其它代码使用的变量都是没用的。所以它就干脆把这些"没用的"代码删掉了。
为了解决这个问题，还是用汇编语言来写这个memtest_sub函数好了。代码如下。
1 _memtest_sub: ; unsigned int memtest_sub(unsigned int start, unsigned int end)
2 PUSH EDI ; （由于还要使用EBX, ESI, EDI）
3 PUSH ESI
4 PUSH EBX
5 MOV ESI,0xaa55aa55 ; pat0 = 0xaa55aa55;
6 MOV EDI,0x55aa55aa ; pat1 = 0x55aa55aa;
7 MOV EAX,[ESP+12+4] ; i = start;
8 mts_loop:
9 MOV EBX,EAX
10 ADD EBX,0xffc ; p = i + 0xffc;
11 MOV EDX,[EBX] ; old = *p;
12 MOV [EBX],ESI ; *p = pat0;
13 XOR DWORD [EBX],0xffffffff ; *p ^= 0xffffffff;
14 CMP EDI,[EBX] ; if (*p != pat1) goto fin;
15 JNE mts_fin
16 XOR DWORD [EBX],0xffffffff ; *p ^= 0xffffffff;
17 CMP ESI,[EBX] ; if (*p != pat0) goto fin;
18 JNE mts_fin
19 MOV [EBX],EDX ; *p = old;
20 ADD EAX,0x1000 ; i += 0x1000;
21 CMP EAX,[ESP+12+8] ; if (i <= end) goto mts_loop;
22 JBE mts_loop
23 POP EBX
24 POP ESI
25 POP EDI
26 RET
27 mts_fin:
28 MOV [EBX],EDX ; *p = old;
29 POP EBX
30 POP ESI
31 POP EDI
32 RET
汇编版本的memtest_sub
知道了内存容量，就可以进行管理了。
关闭CPU高速缓存
486以上的CPU是有高速缓存（cache）的。CPU每次访问内存，都要将所访问的地址和内容存入cache，也就是存放成这样"18号地址的值是54"。如果下次要用18号地址的内容，CPU就不需要再读内存了（速度慢），而是直接从cache中取得18号地址的内容（速度快）。
如果开启着CPU高速缓存（cache），上述的检测代码就不会正常工作。因为写入一个内存地址，然后立即读出，这样的操作符合cache到的情况，CPU不会从内存读，而是直接读cache到的东西。结果，所有的内存都"正常"，检测代码就起不到作用了。
1 #define EFLAGS_AC_BIT 0x00040000
2 #define CR0_CACHE_DISABLE 0x60000000
3
4 unsigned int memtest(unsigned int start, unsigned int end)
5 {
6 char flg486 = 0;
7 unsigned int eflg, cr0, i;
8
9 /* 确认CPU是386还是486以上的 */
10 eflg = io_load_eflags();
11 eflg |= EFLAGS_AC_BIT; /* AC-bit = 1 */
12 io_store_eflags(eflg);
13 eflg = io_load_eflags();
14 if ((eflg & EFLAGS_AC_BIT) != 0) { /* 如果是386，即使设定AC=1，AC的值还会自动回到0 */
15 flg486 = 1;
16 }
17 eflg &= ~EFLAGS_AC_BIT; /* AC-bit = 0 */
18 io_store_eflags(eflg);
19
20 if (flg486 != 0) {
21 cr0 = load_cr0();
22 cr0 |= CR0_CACHE_DISABLE; /* 禁止缓存 */
23 store_cr0(cr0);
24 }
25
26 i = memtest_sub(start, end);
27
28 if (flg486 != 0) {
29 cr0 = load_cr0();
30 cr0 &= ~CR0_CACHE_DISABLE; /* 允许缓存 */
31 store_cr0(cr0);
32 }
33
34 return i;
35 }
内存管理算法
假设内存有128MB（0x08000000字节），以4KB（0x1000字节）为单位进行管理。
最简单的方法
128MB/4KB=32768。所以我们创建32768字节的区域，写入0表示对应的内存是空闲的，写入1表示对应的内存是正在使用的。这个方法的名字我没有查到。
1 char a[32768];
2 for (i = 0; i < 1024; i++) {
3 a[i] = 1; //一直到4MB为止，标记为正在使用（BIOS、OS等）
4 }
5 for (i = 1024; i< 32768; i++) {
6 a[i] = 0; //剩下的全部标记为空闲
7 }
比如需要100KB的内存，那么只要从a中找出连续25个标记为0的地方就可以了。
1 //从a[j]到a[j + 24]为止，标记连续为0";
2 j = 0;
3 再来一次：
4 for (i = 0; i < 25; i++) {
5 if (a[j + i] != 0) {
6 j++;
7 if (j < 32768 - 25) goto 再来一次;
8 "没有可用内存了";
9 }
10 }
11 //从j * 0x1000开始的100KB空间得到分配
12 for (i = 0; i < 25; i++) {
13 a[j + i] = 1;
14 }
需要收回这100KB的时候，用地址值/0x1000，计算出j就可以了。
1 j = 0x00123000 / 0x1000;
2 for (i = 0; i < 25; i++) {
3 a[j + i] = 0;
4 }
当然，我们可以用1bit来代替1个char，这样所需的管理空间就可以省下7/8，使用方法则是一样的。
列表管理
把类似于"从xxx号地址开始的yyy字节的空间是空闲的"这种信息都存储到列表里。
1 struct FREEINFO { /* 可用状况 */
2 unsigned int addr, size;
3 };
4
5 struct MEMMAN { /* 内存管理 */
6 int frees, maxfrees, lostsize, losts;
7 struct FREEINFO free[MEMMAN_FREES];
8 };
9 struct MEMMAN memman;
10 memman.frees = 1;//可用状况list中只有1件
11 memman.free[0].addr = 0x00400000;//从0x00400000号地址开始
12 memman.free[0].size = 0x07c00000;//有124MB可用
比如，如果需要100KB的内存，只要查看memman中free的状况，从中找到100MB以上的可用空间就行了。
1 for (i = 0; i < memman.frees; i++) {
2 if (memman.free[i].size >= 100 * 1024) {
3 //找到可用空间
4 memman.free[i].addr += 100 * 1024;
5 memman.free[i].size -= 100 * 1024;
6 }
7 }
释放内存时，增加1条可用信息，frees加1。而且还要看看新释放出的内存与相邻的内存能不能连到一起，如果可以，就要归为1条。
与上文的最简单的方法相比，这种列表管理的方法，占用内存少，且内存的申请和释放更迅速。
缺点是释放内存的代码比较复杂。另外，如果内存变成零零碎碎的，那么需要的MEMMAN里的数组就会超过1000，这是个问题。如果真发生这种情况，只能将一部分零碎的空闲内存都视作被占用的，然后合并。
1 void memman_init(struct MEMMAN *man)
2 {
3 man->frees = 0; /* 可用信息数目 */
4 man->maxfrees = 0; /* 用于观察可用状况：frees的最大值 */
5 man->lostsize = 0; /* 释放失败的内存的大小总和 */
6 man->losts = 0; /* 释放失败次数 */
7 return;
8 }
9
10 unsigned int memman_total(struct MEMMAN *man)
11 /* 报告空余内存大小的合计 */
12 {
13 unsigned int i, t = 0;
14 for (i = 0; i < man->frees; i++) {
15 t += man->free[i].size;
16 }
17 return t;
18 }
19
20 unsigned int memman_alloc(struct MEMMAN *man, unsigned int size)
21 /* 分配 */
22 {
23 unsigned int i, a;
24 for (i = 0; i < man->frees; i++) {
25 if (man->free[i].size >= size) {
26 /* 找到了足够大的内存 */
27 a = man->free[i].addr;
28 man->free[i].addr += size;
29 man->free[i].size -= size;
30 if (man->free[i].size == 0) {
31 /* 如果是free[i]变成了0，就减掉一条可用信息 */
32 man->frees--;
33 for (; i < man->frees; i++) {
34 man->free[i] = man->free[i + 1]; /* 代入结构体 */
35 }
36 }
37 return a;
38 }
39 }
40 return 0; /* 没有可用空间 */
41 }
42
43 int memman_free(struct MEMMAN *man, unsigned int addr, unsigned int size)
44 /* 释放 */
45 {
46 int i, j;
47 /* 为便于归纳内存，将free[]按照addr的顺序排列 */
48 /* 所以，先决定应该放在哪里 */
49 for (i = 0; i < man->frees; i++) {
50 if (man->free[i].addr > addr) {
51 break;
52 }
53 }
54 /* free[i - 1].addr < addr < free[i].addr */
55 if (i > 0) {
56 /* 前面有可用内存 */
57 if (man->free[i - 1].addr + man->free[i - 1].size == addr) {
58 /* 可用与前面的可用内存归纳到一起 */
59 man->free[i - 1].size += size;
60 if (i < man->frees) {
61 /* 后面也有 */
62 if (addr + size == man->free[i].addr) {
63 /* 也可以与后面的可用内存归纳到一起 */
64 man->free[i - 1].size += man->free[i].size;
65 /* man->free[i]删除 */
66 /* free[i]变成0后归纳到前面去 */
67 man->frees--;
68 for (; i < man->frees; i++) {
69 man->free[i] = man->free[i + 1]; /* 结构体赋值 */
70 }
71 }
72 }
73 return 0; /* 成功完成 */
74 }
75 }
76 /* 不能与前面的可用空间归纳到一起 */
77 if (i < man->frees) {
78 /* 后面还有 */
79 if (addr + size == man->free[i].addr) {
80 /* 可用与后面的内容归纳到一起 */
81 man->free[i].addr = addr;
82 man->free[i].size += size;
83 return 0; /* 成功完成 */
84 }
85 }
86 /* 既不能与前面归纳到一起，也不能与后面归纳到一起 */
87 if (man->frees < MEMMAN_FREES) {
88 /* free[i]之后的，向后移动 */
89 for (j = man->frees; j > i; j--) {
90 man->free[j] = man->free[j - 1];
91 }
92 man->frees++;
93 if (man->maxfrees < man->frees) {
94 man->maxfrees = man->frees; /* 更新最大值 */
95 }
96 man->free[i].addr = addr;
97 man->free[i].size = size;
98 return 0; /* 成功完成 */
99 }
100 /* 不能往后移动 */
101 man->losts++;
102 man->lostsize += size;
103 return -1; /* 失败 */
104 }
总结
内存管理要结合GDT的设定进行。按段(Segment)设计的GDT，内存就得按段申请和回收。按页设计的GDT，额我不知道，以后再说。
内存管理需要的预备知识还包括"获取内存容量"、"禁止/启用高速缓存"、"数据结构-链表"。
内存管理的算法还有很多，本篇只给出了两种最基本最简单的，够做个简易的OS就行了，现在不是深究算法的时候。