操作系统 Lab1 pmm

Lab1-pmm

这里不是实验报告，可以随便吐槽和说很多废话吧（大概）
也没有泄漏啥代码，纯纯的唠嗑，应该不违反学术诚信。

感觉这次实验被我做难了....事实上只需要链表就可以实现所有的操作，buddy system 纯纯的没必要，写出来也不容易 debug （也许熟练工可以做到一次对，但是这有啥用呢）

途中卡 smp=8 的时候尝试过 bitmap 和 slab。 bitmap 就是把一个大页分配成64份，用一个 uint64_t 状压使用情况，每次直接 lowbit(bitmap) 的得到未使用的小块。然后只需要维护两个链表：全满 和 存在空闲。那么一次 fast path 只需要 bit flip 就行了，但事实上过不了。

slab 直接看下面的

设计

我区分 thread_list 和 local_list 的设计参考了微软 mimalloc 的实现

分配

将 512MiB 的堆区大致分成 8 份，每份用一棵线段树维护以 4KiB 为最小单位的大块内存区间，这样每个 CPU 都有恰好一棵树。因为大块内存的分配需要对齐，且最大分配 8MiB 的内存，因此线段树的端点需要同时 8MiB 对齐和 4KiB 对齐。

对于大小超过 4KiB 的内存分配直接从该CPU的线段树上分配。注意到可能出现该 CPU 分配、其它 CPU 释放的情况，因此每个 CPU 的树在访问时都需要上锁，并且释放时需要释放到分配地。

对于大小不超过 4KiB 的内存分配，先按照 2^k 向上对齐。这里每个 CPU 都有 8 条链表，每个链表专门用于分配固定大小的内存块（例如 16KiB 32KiB 64KiB 128KiB...），这样不同大小的内存分配可以并行（好像没什么卵用，因为每个 CPU 目前都是单线程的）

根据对齐后的大小进入该 CPU 对应大小的链表中，此时每个链表下又分出两个子链表 local 和 thread

1. local 表示本 CPU 分配且本 CPU 释放的内存块
2. thread 表示本 CPU 分配，但是由其它 CPU 释放的内存块

这样做的好处是 local 子链表不需要上锁，因为每个 CPU 都可以看作是单线程的，不存在数据竞争。对于跨 CPU 释放的情形，最坏情况是剩余 n-1 个 CPU 争抢 thread 链表的一把锁。

每次分配小内存，按照如下顺序分配：

1. 查询local链表，有即分配，这是无锁的，且只涉及一个指针的读写操作。
2. 查询thread链表，上锁，移动空余块到local链表，解锁。这部分只涉及到几个指针的读写操作，因此很快。
3. 所属线段树上锁，申请大块空间（16KiB），等分成固定大小，插入到local链表中，解锁。这是 slow-path。

从上到下分别是 快 -> 慢 的顺序

释放

对于大小超过 4KiB 的内存块将直接找到所在区间对应的线段树，上锁，释放，解锁。

对于大小不超过 4KiB 的小块内存释放，直接找到其分配时所属的 CPU、分配大小，然后分两类情况

1. 本地分配本地释放，插入到 local 链表中
2. 本地分配外地释放，上锁，插入到 thread 链表中，解锁

注意到要做到上述事情需要记录一些元信息。起初我是通过粗暴地翻倍分配空间、把 header 存在相邻的块中。这样如果每次都分配 129 KiB 的空间，那么就会产生 75% 的浪费。后面想到每个小块内存都是从一个特定大块中划分出来的，且线段树保证了大块内存是按块对齐的。因此直接将给定的地址低位清零找到对应大块的起始位置，在这里留出一个小块记录元信息即可。但是实现完这个之后oj就重测了，也不知道这样子做能不能过掉最后一个 low usage。

还有一个问题是如何区分大块释放（访问线段树）和小块释放（直接修改链表）。一个办法是在元信息中加入MAGIC NUMBER，这样就可以以很小的出错概率区分二者了。

印象深刻的Bug

最初的oj有smp=8的狂野case，卡了整整一周都卡不过去，写了8棵线段树都卡不过去，最后的解决方案是干掉case，这样大家就都可以过了，皆大欢喜（摔键盘）