如何划分与组织内存(上）？

1）本节我们要接触内存了，那我们用最通俗的语言来类比操作系统和内存的关系应该是怎样的？

• 操作系统是政府，内存是土地。政府必须合理规划好土地，人民才能安居乐业。

2）既然要规划内存，那我们规划的基本单位有哪两种？

• 分段和分页

3）分段和分页有什么区别呢？我们设计操作系统的时候应该怎样选择？

• 表示方式和状态确定角度：段的大小不一样，用什么数据结构表示不太好表示，并且该段是空闲的还是繁忙的也不太好表示。但是页的大小是固定的，我们用位图的1或者0来表示分配和空闲。

• 内存碎片的利用：段的长度大小不一，容易产生内存碎片。而页的话是固定的，差生内存碎片的几率小。

• 从内存和硬盘交换效率考虑：内存不足的时候，会把一部分数据写进磁盘里面去，段的话长短不一样，花费的时间也不一样。硬盘空间分配也会产生碎片，导致系统性能抖动。如果每次交换一个页的话，就没这些问题。

 

4）页在内存中长什么样？

• 用分页模型来管理内存，把物理内存分成4KB大小。

• 但是要注意一个要点，我们真实的物理内存空间不是连续的，中间可能有空洞，可能是显存之类的。

5）现在我们知道了页长什么样，那怎样来表示它呢？

• 可以考虑用一个位图或者整型数组。位值为1表示页已分配，位值为0表示页空闲。整型数组中的值来表示页的状态。那么分配释放的话其实就是数组的删除和插入。但是这个是最低效的方式

• 上面的方案低效，因为它仅仅保存是内存分配还是空闲的信息，其它像页的状态，页的地址，页的类型我们都不知道，看下来的话我们可以使用C语言的结构体来表示。

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   //内存空间地址描述符标志
   typedef struct s_MSADFLGS
   {
       u32_t mf_olkty:2;    //挂入链表的类型
       u32_t mf_lstty:1;    //是否挂入链表
       u32_t mf_mocty:2;    //分配类型，被谁占用了，内核还是应用或者空闲
       u32_t mf_marty:3;    //属于哪个区
       u32_t mf_uindx:24;   //分配计数
   }__attribute__((packed)) msadflgs_t; 
   //物理地址和标志  
   typedef struct s_PHYADRFLGS
   {
       u64_t paf_alloc:1;     //分配位
       u64_t paf_shared:1;    //共享位
       u64_t paf_swap:1;      //交换位
       u64_t paf_cache:1;     //缓存位
       u64_t paf_kmap:1;      //映射位
       u64_t paf_lock:1;      //锁定位
       u64_t paf_dirty:1;     //脏位
       u64_t paf_busy:1;      //忙位
       u64_t paf_rv2:4;       //保留位
       u64_t paf_padrs:52;    //页物理地址位
   }__attribute__((packed)) phyadrflgs_t;
   //内存空间地址描述符
   typedef struct s_MSADSC
   {
       list_h_t md_list;           //链表
       spinlock_t md_lock;         //保护自身的自旋锁
       msadflgs_t md_indxflgs;     //内存空间地址描述符标志
       phyadrflgs_t md_phyadrs;    //物理地址和标志
       void* md_odlink;            //相邻且相同大小msadsc的指针
   }__attribute__((packed)) msadsc_t;

   

6）我们的内存只有一个区吗？

• 有很多的区域，一些区域放硬件，一些区域放内核，一些区域放个人的应用，就像一个城市有不同的区一样，各有各的特色和使命。注意这个内存区是逻辑上划分的，也就是不是实际存在的。

7）我们要如何表示一个内存区呢？

• 和先前物理内存页面一样，我们需要定义一个数据结构，来表示一个内存区的开始地址和结束地址，里面有多少个物理页面，已经分配了多少个物理页面，剩下多少等等。

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   #define MA_TYPE_HWAD 1
   #define MA_TYPE_KRNL 2
   #define MA_TYPE_PROC 3
   #define MA_HWAD_LSTART 0
   #define MA_HWAD_LSZ 0x2000000
   #define MA_HWAD_LEND (MA_HWAD_LSTART+MA_HWAD_LSZ-1)
   #define MA_KRNL_LSTART 0x2000000
   #define MA_KRNL_LSZ (0x40000000-0x2000000)
   #define MA_KRNL_LEND (MA_KRNL_LSTART+MA_KRNL_LSZ-1)
   #define MA_PROC_LSTART 0x40000000
   #define MA_PROC_LSZ (0xffffffff-0x40000000)
   #define MA_PROC_LEND (MA_PROC_LSTART+MA_PROC_LSZ)
   ​
   typedef struct s_MEMAREA
   {
       list_h_t ma_list;             //内存区自身的链表
       spinlock_t ma_lock;           //保护内存区的自旋锁
       uint_t ma_stus;               //内存区的状态
       uint_t ma_flgs;               //内存区的标志 
       uint_t ma_type;               //内存区的类型
       sem_t ma_sem;                 //内存区的信号量
       wait_l_head_t ma_waitlst;     //内存区的等待队列
       uint_t ma_maxpages;           //内存区总的页面数
       uint_t ma_allocpages;         //内存区分配的页面数
       uint_t ma_freepages;          //内存区空闲的页面数
       uint_t ma_resvpages;          //内存区保留的页面数
       uint_t ma_horizline;          //内存区分配时的水位线
       adr_t ma_logicstart;          //内存区开始地址
       adr_t ma_logicend;            //内存区结束地址
       uint_t ma_logicsz;            //内存区大小
       //还有一些结构我们这里不关心。后面才会用到
   }memarea_t；

   

8）现在我们内存区和内存页都有了，那我们怎样把他们两联系起来呢？

• 用一个新的数据结构当胶水把它两联系起来

   ​
   typedef struct s_BAFHLST
   {
       spinlock_t af_lock;    //保护自身结构的自旋锁
       u32_t af_stus;         //状态 
       uint_t af_oder;        //页面数的位移量
       uint_t af_oderpnr;     //oder对应的页面数比如 oder为2那就是1<<2=4
       uint_t af_fobjnr;      //多少个空闲msadsc_t结构，即空闲页面
       uint_t af_mobjnr;      //此结构的msadsc_t结构总数，即此结构总页面
       uint_t af_alcindx;     //此结构的分配计数
       uint_t af_freindx;     //此结构的释放计数
       list_h_t af_frelst;    //挂载此结构的空闲msadsc_t结构
       list_h_t af_alclst;    //挂载此结构已经分配的msadsc_t结构
   }bafhlst_t;