鸿蒙内核源码分析(内存管理篇)|解读鸿蒙源码

原创
09/27 18:48
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提示:本文基于开源鸿蒙内核分析,官方源码【kernel_liteos_a】官方文档【docs
本文作者:鸿蒙内核发烧友,用生活场景讲故事的方式去解构内核,一窥究竟,让神秘的内核栩栩如生,浮现眼前。博文皆为原创,持续更新,敬请关注。内容仅代表个人观点,错误之处,欢迎指正完善。本系列全部文章进入鸿蒙源码分析(总目录)查看


本文分析虚拟内存模块源码 详见:../kernel/base/vm

有了上篇鸿蒙内核源码分析(内存概念篇)的基础,本篇讲内存管理部分,本章源码超级多,很烧脑,但笔者关键处都加了注释。废话不多说,开始吧。

目录

初始化整个内存

鸿蒙内存的布局

内核空间是怎么初始化的?

Page是如何初始化的?

进程是如何申请内存的?

task是如何申请内存的?

初始化整个内存

从main()跟踪可看内存部分初始化是在OsSysMemInit()中完成的。

//*kyf 内存初始化工作
UINT32 OsSysMemInit(VOID)
{
    STATUS_T ret;

    OsKSpaceInit();//*kyf 内核空间初始化

    ret = OsKHeapInit(OS_KHEAP_BLOCK_SIZE);//*kyf 内核动态内存初始化 512K
    if (ret != LOS_OK) {
        VM_ERR("OsKHeapInit fail");
        return LOS_NOK;
    }

    OsVmPageStartup();//*kyf page初始化
    OsInitMappingStartUp();//*kyf 映射初始化

    ret = ShmInit();//*kyf 共享内存初始化
    if (ret < 0) {
        VM_ERR("ShmInit fail");
        return LOS_NOK;
    }

    return LOS_OK;
}

鸿蒙内存的布局

extern CHAR __int_stack_start;	//*kyf OS_SYS_FUNC_ADDR_START 开机第一条指令地址
extern CHAR __rodata_start;		//*kyf ROM开始地址 只读
extern CHAR __rodata_end;		//*kyf ROM结束地址
extern CHAR __bss_start;		//*kyf bss开始地址
extern CHAR __bss_end;			//*kyf bss结束地址
extern CHAR __text_start;		//*kyf 代码区开始地址
extern CHAR __text_end;			//*kyf 代码区结束地址
extern CHAR __ram_data_start;	//*kyf RAM开始地址 可读可写
extern CHAR __ram_data_end;		//*kyf RAM结束地址
extern UINT32 __heap_start; 	//*kyf 堆区开始地址
extern UINT32 __heap_end;		//*kyf 堆区结束地址

内存一开始一张白纸,这些extern就是给它画大界线的,从哪到哪是属于什么段。这些值大小取决实际项目内存条的大小,不同的内存条,地址肯定会不一样,所以必须由外部提供,鸿蒙内核采用了Linux的段管理方式。

上图是Linux的内存布局图,鸿蒙的没看到,但应该也是这样,笔者后续将再确认(?),有代码中有迹可循,如下:

//堆区的开始位置是 bss的结束位置
UINTPTR g_vmBootMemBase = (UINTPTR)&__bss_end; //*kyf 代码中可验证和Linux内存布局是一样的地方

 结合上图对比以下的解释自行理解下位置。 

 BSS段 (bss segment)通常是指用来存放程序中未初始化的全局变量的一块内存区域。BSS是英文Block Started by Symbol的简称。BSS段属于静态内存分配。该段用于存储未初始化的全局变量或者是默认初始化为0的全局变量,它不占用程序文件的大小,但是占用程序运行时的内存空间。

data段 该段用于存储初始化的全局变量,初始化为0的全局变量出于编译优化的策略还是被保存在BSS段。

细心的读者可能发现了,鸿蒙内核几乎所有的全局变量都没有赋初始化值或NULL,这些变量经过编译后是放在了BSS段的,运行时占用内存空间,如此编译出来的ELF包就变小了。

.rodata段,该段也叫常量区,用于存放常量数据,ro就是Read Only之意。

text段 是用于存放程序代码的,编译时确定,只读。更进一步讲是存放处理器的机器指令,当各个源文件单独编译之后生成目标文件,经连接器链接各个目标文件并解决各个源文件之间函数的引用,与此同时,还得将所有目标文件中的.text段合在一起。

stack栈段,是由系统负责申请释放,用于存储参数变量及局部变量以及函数的执行。

heap段 它由用户申请和释放,申请时至少分配虚存,当真正存储数据时才分配相应的实存,释放时也并非立即释放实存,而是可能被重复利用。

内核空间是怎么初始化的?

LosMux g_vmSpaceListMux;//*kyf 互斥,共享内存部分
LOS_DL_LIST_HEAD(g_vmSpaceList);//*kyf 虚拟内存空间头结点
LosVmSpace g_kVmSpace;//*kyf 内核空间
LosVmSpace g_vMallocSpace; //*kyf 内核堆空间
VOID OsKSpaceInit(VOID)
{
    OsVmMapInit();//*kyf 初始化虚拟内存互斥量, 个人认为这个函数名取的有点瑕疵...
    OsKernVmSpaceInit(&g_kVmSpace, OsGFirstTableGet());//*kyf 初始化内核vm
    OsVMallocSpaceInit(&g_vMallocSpace, OsGFirstTableGet());//*kyf 初始化堆区vm ,用户动态分配
}
//内核动态内存 size = 512K
STATUS_T OsKHeapInit(size_t size)
{
    STATUS_T ret;
    VOID *ptr = NULL;
    /*
     * roundup to MB aligned in order to set kernel attributes. kernel text/code/data attributes
     * should page mapping, remaining region should section mapping. so the boundary should be
     * MB aligned.
     */
    UINTPTR end = ROUNDUP(g_vmBootMemBase + size, MB);
    size = end - g_vmBootMemBase;

    ptr = OsVmBootMemAlloc(size);
    if (!ptr) {
        PRINT_ERR("vmm_kheap_init boot_alloc_mem failed! %d\n", size);
        return -1;
    }

    m_aucSysMem0 = m_aucSysMem1 = ptr;
    ret = LOS_MemInit(m_aucSysMem0, size);
    if (ret != LOS_OK) {
        PRINT_ERR("vmm_kheap_init LOS_MemInit failed!\n");
        g_vmBootMemBase -= size;
        return ret;
    }
    LOS_MemExpandEnable(OS_SYS_MEM_ADDR);
    return LOS_OK;
}

内核空间用了三个全局变量,其中一个是互斥LosMux,IPC部分会详细讲,这里先不展开。 比较有意思的是LOS_DL_LIST_HEAD,看内核源码过程中经常会为这样的代码点头称赞,会心一笑。点赞!

#define LOS_DL_LIST_HEAD(list) LOS_DL_LIST list = { &(list), &(list) }

Page是如何初始化的?

page是映射的最小单位,是物理地址<--->虚拟地址映射的数据结构的基础

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));//*kfy 物理内存全部切成4K的物理页,用g_physArea保存

    nPage = OsVmPhysPageNumGet();
    g_vmPageArraySize = nPage * sizeof(LosVmPage);
    g_vmPageArray = (LosVmPage *)OsVmBootMemAlloc(g_vmPageArraySize);

    OsVmPhysAreaSizeAdjust(ROUNDUP(g_vmPageArraySize, PAGE_SIZE));//*kyf 每个页头统一存放LosVmPage,这段代码很妙

    OsVmPhysSegAdd();//*kyf 段页绑定
    OsVmPhysInit();//*kyf 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);//*kfy page初始化
        }
        OsVmPageOrderListInit(seg->pageBase, nPage);//*kyf 页面回收后的排序
    }
}

进程是如何申请内存的?

进程的主体是来自进程池,进程池是统一分配的,怎么创建进程池的去翻系列篇里的文章,所以创建一个进程的时候只需要分配虚拟内存LosVmSpace,这里要分内核模式和用户模式下的申请。

//初始化进程的 用户空间 或 内核空间
STATIC UINT32 OsInitPCB(LosProcessCB *processCB, UINT32 mode, UINT16 priority, UINT16 policy, const CHAR *name)
{

    if (OsProcessIsUserMode(processCB)) {//*kyf 用户态进程分配用户空间
        space = LOS_MemAlloc(m_aucSysMem0, sizeof(LosVmSpace));
        if (space == NULL) {
            PRINT_ERR("%s %d, alloc space failed\n", __FUNCTION__, __LINE__);
            return LOS_ENOMEM;
        }
        VADDR_T *ttb = LOS_PhysPagesAllocContiguous(1);
        if (ttb == NULL) {
            PRINT_ERR("%s %d, alloc ttb or space failed\n", __FUNCTION__, __LINE__);
            (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, space);
            return LOS_ENOMEM;
        }
        (VOID)memset_s(ttb, PAGE_SIZE, 0, PAGE_SIZE);
        retVal = OsUserVmSpaceInit(space, ttb);
        vmPage = OsVmVaddrToPage(ttb);
        if ((retVal == FALSE) || (vmPage == NULL)) {
            PRINT_ERR("create space failed! ret: %d, vmPage: %#x\n", retVal, vmPage);
            processCB->processStatus = OS_PROCESS_FLAG_UNUSED;
            (VOID)LOS_MemFree(m_aucSysMem0, space);
            LOS_PhysPagesFreeContiguous(ttb, 1);
            return LOS_EAGAIN;
        }
        processCB->vmSpace = space;
        LOS_ListAdd(&processCB->vmSpace->archMmu.ptList, &(vmPage->node));
    } else { //*kfy 用户态进程分配用户空间
        processCB->vmSpace = LOS_GetKVmSpace();
    }
}

LosVmSpace *LOS_GetKVmSpace(VOID)
{
    return &g_kVmSpace;
}

从代码可以看出,内核空间固定只有一个g_kVmSpace,而每个用户进程的虚拟内存空间都是独立的。请细品! 

task是如何申请内存的?

task的主体是来自进程池,task池是统一分配的,怎么创建task池的去翻系列篇里的文章。这里task只需要申请stack空间,还是直接上看源码吧,这里用OsUserInitProcess函数看应用程序的main() 是如何被内核创建任务和运行的。

LITE_OS_SEC_TEXT_INIT UINT32 OsUserInitProcess(VOID)
{
    INT32 ret;
    UINT32 size;
    TSK_INIT_PARAM_S param = { 0 };
    VOID *stack = NULL;
    VOID *userText = NULL;
    CHAR *userInitTextStart = (CHAR *)&__user_init_entry;//*kfy 代码区开始位置
    CHAR *userInitBssStart = (CHAR *)&__user_init_bss;//*kyf 未初始化数据区(BSS)。在运行时改变其值
    CHAR *userInitEnd = (CHAR *)&__user_init_end;//*kyf 结束地址
    UINT32 initBssSize = userInitEnd - userInitBssStart;
    UINT32 initSize = userInitEnd - userInitTextStart;

    LosProcessCB *processCB = OS_PCB_FROM_PID(g_userInitProcess);
    ret = OsProcessCreateInit(processCB, OS_USER_MODE, "Init", OS_PROCESS_USERINIT_PRIORITY);//*kyf 初始化用户进程,它将是所有应用程序的父进程
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }

    userText = LOS_PhysPagesAllocContiguous(initSize >> PAGE_SHIFT);//*kyf 分配连续的物理页
    if (userText == NULL) {
        ret = LOS_NOK;
        goto ERROR;
    }

    (VOID)memcpy_s(userText, initSize, (VOID *)&__user_init_load_addr, initSize);//*kyf 安全copy 经加载器load的结果 __user_init_load_addr -> userText
    ret = LOS_VaddrToPaddrMmap(processCB->vmSpace, (VADDR_T)(UINTPTR)userInitTextStart, LOS_PaddrQuery(userText),
                               initSize, VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE |
                               VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_EXECUTE | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_USER);//*kyf 虚拟地址与物理地址的映射
    if (ret < 0) {
        goto ERROR;
    }

    (VOID)memset_s((VOID *)((UINTPTR)userText + userInitBssStart - userInitTextStart), initBssSize, 0, initBssSize);//*kyf 除了代码段,其余都清0

    stack = OsUserInitStackAlloc(g_userInitProcess, &size);//*kyf 初始化堆栈区
    if (stack == NULL) {
        PRINTK("user init process malloc user stack failed!\n");
        ret = LOS_NOK;
        goto ERROR;
    }

    param.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)userInitTextStart;//*kyf 从代码区开始执行,也就是应用程序main 函数的位置
    param.userParam.userSP = (UINTPTR)stack + size;//*kyf 指向栈顶
    param.userParam.userMapBase = (UINTPTR)stack;//*kyf 栈底
    param.userParam.userMapSize = size;//*kyf 栈大小
    param.uwResved = OS_TASK_FLAG_PTHREAD_JOIN;//*kyf 可结合的(joinable)能够被其他线程收回其资源和杀死
    ret = OsUserInitProcessStart(g_userInitProcess, &param);//*kyf 创建一个任务,来运行main函数
    if (ret != LOS_OK) {
        (VOID)OsUnMMap(processCB->vmSpace, param.userParam.userMapBase, param.userParam.userMapSize);
        goto ERROR;
    }

    return LOS_OK;

ERROR:
    (VOID)LOS_PhysPagesFreeContiguous(userText, initSize >> PAGE_SHIFT);
    OsDeInitPCB(processCB);
    return ret;
}

所有的用户进程都是通过init进程 fork来的, 可以看到创建进程的同时创建了一个task, 入口函数就是代码区的第一条指令,也就是应用程序 main函数。这里再说下stack的大小,不同空间下的task栈空间是不一样的,鸿蒙内核中有三种栈空间size,如下

#define LOSCFG_BASE_CORE_TSK_IDLE_STACK_SIZE SIZE(0x800)//*kyf 内核进程,运行在内核空间2K
#define OS_USER_TASK_SYSCALL_SATCK_SIZE 0x3000 //*kyf 用户进程,通过系统调用创建的task运行在内核空间的 12K
#define OS_USER_TASK_STACK_SIZE         0x100000//*kyf 用户进程运行在用户空间的1M

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