rCore的内存管理

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rCore

先来一点rust相关。

ref关键字

赋值语句中左边的ref关键字等价于右边的&符号。

let c = 'Q';
let ref ref_c1 = c;
let ref_c2 = &c;

再和mut结合变成可引用变量。

let c = 1;
let ref mut ref_c1 = c;
*c = 2;

iter()vsiter_mut()vsinto_iter()

  • iter()：借用迭代器。
  • iter_mut()：借用可变迭代器。
  • into_iter()：获取迭代器。

rust智能指针/容器以及其他类型的内存布局

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rust格式化字符串

使用{:?}和{:#?}进行优美地输出，前者是行输出，后者是列输出。

字符串填充方法如下（默认左对齐）：

fn main() {
    //-----------------------------------
    // 以下全部输出 "Hello x    !"
    // 为"x"后面填充空格，补齐宽度5
    println!("Hello {:5}!", "x");
    // 使用参数5来指定宽度
    println!("Hello {:1$}!", "x", 5);
    // 使用x作为占位符输出内容，同时使用5作为宽度
    println!("Hello {1:0$}!", 5, "x");
    // 使用有名称的参数作为宽度
    println!("Hello {:width$}!", "x", width = 5);
    //-----------------------------------

    // 使用参数5为参数x指定宽度，同时在结尾输出参数5 => Hello x    !5
    println!("Hello {:1$}!{}", "x", 5);
}

数字填充方法如下（默认右对齐）：

fn main() {
    // 宽度是5 => Hello     5!
    println!("Hello {:5}!", 5);
    // 显式的输出正号 => Hello +5!
    println!("Hello {:+}!", 5);
    // 宽度5，使用0进行填充 => Hello 00005!
    println!("Hello {:05}!", 5);
    // 负号也要占用一位宽度 => Hello -0005!
    println!("Hello {:05}!", -5);
}

对齐方法如下：

fn main() {
    // 以下全部都会补齐5个字符的长度
    // 左对齐 => Hello x    !
    println!("Hello {:<5}!", "x");
    // 右对齐 => Hello     x!
    println!("Hello {:>5}!", "x");
    // 居中对齐 => Hello   x  !
    println!("Hello {:^5}!", "x");

    // 对齐并使用指定符号填充 => Hello x&&&&!
    // 指定符号填充的前提条件是必须有对齐字符
    println!("Hello {:&<5}!", "x");
}

进制方法如下：

fn main() {
    // 二进制 => 0b11011!
    println!("{:#b}!", 27);
    // 八进制 => 0o33!
    println!("{:#o}!", 27);
    // 十进制 => 27!
    println!("{}!", 27);
    // 小写十六进制 => 0x1b!
    println!("{:#x}!", 27);
    // 大写十六进制 => 0x1B!
    println!("{:#X}!", 27);

    // 不带前缀的十六进制 => 1b!
    println!("{:x}!", 27);

    // 使用0填充二进制，宽度为10 => 0b00011011!
    println!("{:#010b}!", 27);
}

rust操作符重载

假设我们有一个结构体为Foo，内部有一个变量称之为val: usize。正常情况下我们不可以对Foo进行加一操作，但是我们可以使用core::ops对加号进行重载。具体的实现方法如下：

struct Foo {
  	val: usize,
}

impl ops::Add<usize> for Foo {
  type Output = Self;
  
  fn add(self, rhs: usize) -> Self {
    Self { self.val + rhs }
  }
}

堆分配

使用了rCore自己实现的buddy_system_allocator来管理堆空间。使用伙伴系统算法实现，后期可以学习一下源码。这里先直接使用了。当使用rust的只能指针/容器的时候，会自动调用这些堆分配的方法，不用向C语言的malloc以及free函数显式分配。

帧分配

rCore内存管理的关键部分了，方式是维护一个可用内存的空间范围，加上一个回收空间列表。相比之下，xv6直接维护的是一个空闲空间链表，做法会暴力一些。

rCore分配空间的方式是，尽量从回收列表中拿取空间，不能满足的时候，调整可用内存空间的范围，分配一个空闲空间。大多数情况下，请求分配都是小空间，基本能从回收列表中满足。这样实现，不仅分配空间开销小，也不像xv6需要占用大量固定的内存空间。

rcore frame allocator

rCore没有限制Allocator的算法实现方式，任何实现了allocator接口的分配器都可以被rCore使用，利用了面向对象编程的思想。

sfa cls

rCore为每个物理帧使用了Tracker。Tracker使用了Drop, Deref等派生属性。这样当物理帧的生命周期结束之后，就可以自动地被释放。这种做法借鉴了C++的RAII思想。

什么是RAII？

RAII(Resourse Acquisition Is Initialization)，资源获取即初始化，是C++语言的一种管理资源、避免泄漏的惯用法。C++标准保证任何情况下，已构造的对象最终会销毁，即它的析构函数最终会被调用。简单的说，RAII 的做法是使用一个对象，在其构造时获取资源，在对象生命期控制对资源的访问使之始终保持有效，最后在对象析构的时候释放资源。

MemorySet

在学习MemorySet之前，先看看rust如何自己创建迭代器。（因为VPNRange用到了）

  1. 首先，需要声明一个迭代器信息的结构体，记录当前迭代的位置以及结束的位置。为这个结构体实现迭代器的next方法。
  2. 为原来的结构体容器实现一个IntoIterator的方法，将其转换为一个迭代器。

rustiter

MemorySet中包含了两个属性，page_table以及map_area。MapArea又有4个属性，分别是vpn_range，data_frame，map_type和map_perm。

在page_table中记录了所有页表节点所在的物理也帧。map_area下则记录了每一个分配的连续虚拟内存的信息，包括分配的虚拟内存的范围，分配的帧信息，映射类型（是直接映射，还是非直接映射）以及映射权限（可读可写可执行，是否为用户空间）。

内核和每个用户进程都会有一个MemorySet来记录内存分配信息。

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参考资料

rCore地址空间

Rust语言圣经

Rust操作符重载

RAII

Pei Meng

Pei Meng

Someone who interested in Computer Architecture.