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# 以页为单位管理物理内存

## Page结构体

在获得可用物理内存范围后，系统需要建立相应的数据结构来管理以物理页（按4KB对齐，且大小为4KB的物理内存单元）为最小单位的整个物理内存，以配合后续涉及的分页管理机制。每个物理页可以用一个 Page数据结构来表示。由于一个物理页需要占用一个Page结构的空间，Page结构在设计时须尽可能小，以减少对内存的占用。Page的定义在`kern/mm/memlayout.h`中。以页为单位的物理内存分配管理的实现在`kern/default_pmm.[ch]`。

为了与以后的分页机制配合，我们首先需要建立对整个计算机的每一个物理页的属性用结构Page来表示，它包含了映射此物理页的虚拟页个数，描述物理页属性的flags和双向链接各个Page结构的page\_link双向链表。

```c
struct Page {
    int ref;        // page frame's reference counter
    uint32_t flags; // array of flags that describe the status of the page frame
    unsigned int property;// the num of free block, used in first fit pm manager
    list_entry_t page_link;// free list link
};
```

这里看看Page数据结构的各个成员变量有何具体含义。ref表示这页被页表的引用记数（在“实现分页机制”一节会讲到）。如果这个页被页表引用了，即在某页表中有一个页表项设置了一个虚拟页到这个Page管理的物理页的映射关系，就会把Page的ref加一；反之，若页表项取消，即映射关系解除，就会把Page的ref减一。flags表示此物理页的状态标记，进一步查看`kern/mm/memlayout.h`中的定义，可以看到：

```c
/* Flags describing the status of a page frame */
#define PG_reserved                 0       // the page descriptor is reserved for kernel or unusable
#define PG_property                 1       // the member 'property' is valid
```

这表示flags目前用到了两个bit表示页目前具有的两种属性，bit 0表示此页是否被保留（reserved），如果是被保留的页，则bit 0会设置为1，且不能放到空闲页链表中，即这样的页不是空闲页，不能动态分配与释放。比如目前内核代码占用的空间就属于这样“被保留”的页。在本实验中，bit 1表示此页是否是free的，如果设置为1，表示这页是free的，可以被分配；如果设置为0，表示这页已经被分配出去了，不能被再二次分配。另外，本实验这里取的名字PG\_property比较不直观 ，主要是我们可以设计不同的页分配算法（best fit, buddy system等），那么这个PG\_property就有不同的含义了。

在本实验中，Page数据结构的成员变量property用来记录某连续内存空闲块的大小（即地址连续的空闲页的个数）。这里需要注意的是用到此成员变量的这个Page比较特殊，是这个连续内存空闲块地址最小的一页（即头一页， Head Page）。连续内存空闲块利用这个页的成员变量property来记录在此块内的空闲页的个数。这里去的名字property也不是很直观，原因与上面类似，在不同的页分配算法中，property有不同的含义。

Page数据结构的成员变量page\_link是便于把多个连续内存空闲块链接在一起的双向链表指针（可回顾在lab0实验指导书中有关双向链表数据结构的介绍）。这里需要注意的是用到此成员变量的这个Page比较特殊，是这个连续内存空闲块地址最小的一页（即头一页， Head Page）。连续内存空闲块利用这个页的成员变量page\_link来链接比它地址小和大的其他连续内存空闲块。

## free\_area\_t结构体

在初始情况下，也许这个物理内存的空闲物理页都是连续的，这样就形成了一个大的连续内存空闲块。但随着物理页的分配与释放，这个大的连续内存空闲块会分裂为一系列地址不连续的多个小连续内存空闲块，且每个连续内存空闲块内部的物理页是连续的。那么为了有效地管理这些小连续内存空闲块。所有的连续内存空闲块可用一个双向链表管理起来，便于分配和释放，为此定义了一个free\_area\_t数据结构，包含了一个list\_entry结构的双向链表指针和记录当前空闲页的个数的无符号整型变量nr\_free。其中的链表指针指向了空闲的物理页。

```c
/* free_area_t - maintains a doubly linked list to record free (unused) pages */
typedef struct {
            list_entry_t free_list;                                // the list header
            unsigned int nr_free;                                 // # of free pages in this free list
} free_area_t;
```

## 初始化Page结构体

为了管理物理内存，我们需要在内核里定义一些数据结构，来存储”当前使用了哪些物理页面，哪些物理页面没被使用“这样的信息，使用的是Page结构体。我们将一些Page结构体在内存里排列在内核后面，这要占用一些内存。而摆放这些Page结构体的物理页面，以及内核占用的物理页面，之后都无法再使用了。我们用`page_init()`函数给这些管理物理内存的结构体做初始化。

`page_init()`的代码里，我们调用了一个函数`init_memmap()`, 这和我们的另一个结构体`pmm_manager`有关。虽然C语言基本上不支持面向对象，但我们可以用类似面向对象的思路，把”物理内存管理“的功能集中给一个结构体。我们甚至可以让函数指针作为结构体的成员，强行在C语言里支持了”成员函数“。可以看到，我们调用的`init_memmap()`实际上又调用了`pmm_manager`的一个”成员函数“。

`pmm_manager`提供了各种接口：分配页面，释放页面，查看当前空闲页面数。但是我们好像始终没看见`pmm_manager`内部对这些接口的实现，那些接口只是作为函数指针，作为`pmm_manager`的一部分，我们需要把那些函数指针变量赋值为真正的函数名称。在这里面我们把pmm\_manager的指针赋值成`&default_pmm_manager`。