操作系统—实现可变式分区分配算法

news2024/10/7 20:37:02

文章目录

  • 实现可变式分区分配算法
  • 1.实验环境
  • 2.如何在xv6中实现分区分配算法？
    • (1).xv6的内存管理机制
    • (2).实现思路
  • 3.最佳适应算法
    • (1).基本思路
    • (2).步骤
    • (3).测试&Debug
  • 总结
  • 参考资料

实现可变式分区分配算法

1.实验环境

  因为这一次的实验仍然是在xv6中进行，因此本次实验依旧直接采用Lab中使用的xv6内核实验环境：
在这里插入图片描述

2.如何在xv6中实现分区分配算法？

(1).xv6的内存管理机制

  xv6中通过sbrk机制完成内存的分配，可以在sysproc.c中找到sbrk系统调用的定义：

uint64 sys_sbrk(void) {
  int addr;
  int n;

  if (argint(0, &n) < 0) return -1;
  addr = myproc()->sz;
  if (growproc(n) < 0) return -1;
  return addr;
}

  代码比较简单，它只接受一个整数n，之后会调用proc.c中定义的growproc函数：

// Grow or shrink user memory by n bytes.
// Return 0 on success, -1 on failure.
int growproc(int n) {
  uint sz;
  struct proc *p = myproc();

  sz = p->sz;
  if (n > 0) {
    if ((sz = uvmalloc(p->pagetable, sz, sz + n)) == 0) {
      return -1;
    }
  } else if (n < 0) {
    sz = uvmdealloc(p->pagetable, sz, sz + n);
  }
  p->sz = sz;
  return 0;
}

  这串代码的阅读难度就相对要大一点，首先是从当前进程中读取出内存栈的大小，参数n的正负决定了内存是扩张还是收缩，对于扩张的情况，growproc会尝试调用uvmalloc完成扩张n字节的操作，而uvmalloc的函数定义可以在vm.c当中找到（uvdealloc也可以找到）：

// Allocate PTEs and physical memory to grow process from oldsz to
// newsz, which need not be page aligned.  Returns new size or 0 on error.
uint64 uvmalloc(pagetable_t pagetable, uint64 oldsz, uint64 newsz) {
  char *mem;
  uint64 a;

  if (newsz < oldsz) return oldsz;

  oldsz = PGROUNDUP(oldsz);
  for (a = oldsz; a < newsz; a += PGSIZE) {
    mem = kalloc();
    if (mem == 0) {
      uvmdealloc(pagetable, a, oldsz);
      return 0;
    }
    memset(mem, 0, PGSIZE);
    if (mappages(pagetable, a, PGSIZE, (uint64)mem, PTE_W | PTE_X | PTE_R | PTE_U) != 0) {
      kfree(mem);
      uvmdealloc(pagetable, a, oldsz);
      return 0;
    }
  }
  return newsz;
}
// Deallocate user pages to bring the process size from oldsz to
// newsz.  oldsz and newsz need not be page-aligned, nor does newsz
// need to be less than oldsz.  oldsz can be larger than the actual
// process size.  Returns the new process size.
uint64 uvmdealloc(pagetable_t pagetable, uint64 oldsz, uint64 newsz) {
  if (newsz >= oldsz) return oldsz;

  if (PGROUNDUP(newsz) < PGROUNDUP(oldsz)) {
    int npages = (PGROUNDUP(oldsz) - PGROUNDUP(newsz)) / PGSIZE;
    uvmunmap(pagetable, PGROUNDUP(newsz), npages, 1);
  }

  return newsz;
}

  这里首先研究uvmalloc函数，它首先确定新的内存大小要大于等于之前的内存大小，之后通过riscv.h当中的宏函数PGROUNDUP将oldsz向上转换成页表大小整倍数的内存大小：

#define PGROUNDUP(sz)  (((sz)+PGSIZE-1) & ~(PGSIZE-1))

  这个函数本身并不难理解，例如现在的PGSIZE被定为4096，则当sz为4094字节的时候，PGROUNDUP的结果就是：4096，而当sz为4097字节的时候结果是8192，所以它的行为的确是这样：先算出需要页表的数量，然后向上取整得到真正的字节数。
  这样做的目的也是显然的：因为内存分配是依靠kalloc每次分配一个页表完成的，因此如果不转换成对应的大小，后续操作会不太方便。
  在这之后，uvmalloc的操作就很明确了：利用循环的方式，每一次都利用kalloc函数分配一页(4096字节)内存，每次都会尝试进行一次页表到物理内存的映射，如果成功，则继续下一轮循环继续分配，直到分配到最后达到了新的内存大小为止。
  uvdealloc的操作更加简单，对于确实需要减少分配的情况，在计算出需要减少分配的页表的数量之后，使用uvunmap取消页表到物理内存的映射关系即可。

  因此growproc的行为到这里也就明确了：利用uvmalloc和uvdealloc两个函数完成对于当前进程内存（本质是页表）的收缩和扩张，从而完成用户内存的变化。

  之后就可以回到sys_sbrk这个系统调用了，它的思路相当简单：利用growproc函数完成用户进程内存的扩张

(2).实现思路

  前面的分配过程基本上都与希望实现的几个算法无关，不过比较有必要注意的是sbrk，实际上xv6的动态内存分配应该是基于sbrk实现的，malloc的代码如下：

void *malloc(uint nbytes) {
  Header *p, *prevp;
  uint nunits;

  nunits = (nbytes + sizeof(Header) - 1) / sizeof(Header) + 1;
  if ((prevp = freep) == 0) {
    base.s.ptr = freep = prevp = &base;
    base.s.size = 0;
  }
  for (p = prevp->s.ptr;; prevp = p, p = p->s.ptr) {
    if (p->s.size >= nunits) {
      if (p->s.size == nunits)
        prevp->s.ptr = p->s.ptr;
      else {
        p->s.size -= nunits;
        p += p->s.size;
        p->s.size = nunits;
      }
      freep = prevp;
      return (void *)(p + 1);
    }
    if (p == freep)
      if ((p = morecore(nunits)) == 0) return 0;
  }
}

  它会以一个链表查找的方式一个个遍历查找，直到找到一个和需要分配的空间大小匹配的块，然后完成分配等等工作，在没有办法找到可供分配的块的情况下，malloc函数会调用morecore函数进行空间的扩张：

static Header *morecore(uint nu) {
  char *p;
  Header *hp;

  if (nu < 4096) nu = 4096;
  p = sbrk(nu * sizeof(Header));
  if (p == (char *)-1) return 0;
  hp = (Header *)p;
  hp->s.size = nu;
  free((void *)(hp + 1));
  return freep;
}

  morecore函数做的事情是：每一次利用sbrk函数将用户内存（堆空间）至少扩大4096个Header大小，之后再利用free函数将这个分配的新空间加入到当前进程的空闲链表当中。

  因此基于这个思考，我们或许只需要在umalloc.c当中实现一个基于最佳适配算法的malloc函数即可。

3.最佳适应算法

(1).基本思路

  最佳适应算法比较简单，它的基本思路就是从分区表中依次遍历，直到找到一个与需要分配的空间为最佳适配的大小。

(2).步骤

  在umalloc.c当中增加一个函数myalloc:

void* myalloc(uint nbytes) {
  Header *p, *prevp, *best, *prevb;
  uint nunits;

  nunits = (nbytes + sizeof(Header) - 1) / sizeof(Header) + 1;
  if ((prevp = freep) == 0) {
    base.s.ptr = freep = prevp = &base;
    base.s.size = 0;
  }
  best = 0;
  prevb = 0;
  for (p = prevp->s.ptr;; prevp = p, p = p->s.ptr) {
    if (p->s.size >= nunits) {
      if (p->s.size == nunits) {
        prevb = prevp;
        best = p;
        break;
      }
      else {
        if (p->s.size < best->s.size) {
            prevb = prevp;
            best = p;
        }
    }
    if (p == freep)
      if ((p = morecore(nunits)) == 0) return 0;
  }
  if (best->s.size != nunits) {
    best->s.size -= nunits;
    best += p->s.size;
    p->s.size = nunits;
  }
  freep = prevb;
  return (void *)(best + 1);
}

  它的实现与malloc几乎完全一致，只是在搜索可用空间块的时候每次多维护一个best和prevb指针，用于找到能够与需要分配大小（对齐后的大小）最接近的块。
  如果myalloc找到了与需要空间正好相等的大小，则直接中止循环，否则会继续尝试寻找更优的一块内存空间，在循环结束之后，如果待分配的空间大于需要的大小，则会进行一次切割，从最佳分配的块中切割出相等大小的内存，之后再将块的头部信息记录到freep当中，然后返回分配后空间的地址。

(3).测试&Debug

  首先在user.h中添加刚才增加的myalloc函数的原型：
在这里插入图片描述
  接下来可以编写一个用户态程序myalloctest来进行测试：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc != 2) {
    printf("Assertion: must have one argument\n");
    exit(1);
  }
  int arg = atoi(argv[1]);
  if (arg <= 0) {
    printf("Assertion: size cannot be less equal than 0\n");
    exit(2);
  }
  uint sz = (uint)arg;
  printf("==myalloctest==\n");
  char* addr = (char*)myalloc(sz);
  memset(addr, 'a', sz);
  addr[sz-1] = 0;
  printf("%s\n", addr);
  free(addr);
  exit(0);
}

  在Makefile文件中添加用户态程序：

  然后尝试运行，但是失败了：
在这里插入图片描述
  这种情况下连字符串都不会打印出来，但是当测试的字节数特别大的时候，这个程序能成功打印出应该是和分配字节数相匹配个数的a，但是最终程序会卡住，所以我或许要从usertrap的这个报错入手解决。

  这个报错和上次的自定义调度算法很像，都是在usertrap处理用户trap的时候发生了无法识别的外部中断或软中断，而实际上唯一能触发usertrap的就只有myalloc函数，因为myalloc其中可能会调用morecore，而之后会调用sbrk系统调用。

  经过一些printf测试之后发现，p和best在没有任何额外赋值的情况下总是一样的，此时大概可以确定：myalloc在持续使用morecore尝试分配更多内存，由此才导致了异常。

  因此之后我尝试将代码修改成了下面这样：

void* myalloc(uint nbytes) {
  Header *p, *prevp, *best, *prevb;
  uint nunits;

  nunits = (nbytes + sizeof(Header) - 1) / sizeof(Header) + 1;
  if ((prevp = freep) == 0) {
    base.s.ptr = freep = prevp = &base;
    base.s.size = 0;
  }
  best = 0;
  prevb = 0;
  for (p = prevp->s.ptr;; prevp = p, p = p->s.ptr) {
    if (p->s.size >= nunits) {
      if (best == 0) {
        prevb = prevp;
        best = p;
        continue;
      }

      if (p->s.size == nunits) {
        prevb = prevp;
        best = p;
        break;
      }
      else {
        if (p->s.size < best->s.size) {ß
            prevb = prevp;
            best = p;
        }
      }
    }
    if (best == 0 && p == freep) {
      if ((p = morecore(nunits)) == 0) return 0;
    }
    else if (p == freep) break;
  }
  if (best->s.size != nunits) {
    best->s.size -= nunits;
    best += p->s.size;
    p->s.size = nunits;
  }
  freep = prevb;
  return (void *)(best + 1);
}

  与之对应的，将myalloctest函数修改为下面的样子：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc != 2) {
    printf("Assertion: must have one argument\n");
    exit(1);
  }
  int arg = atoi(argv[1]);
  if (arg <= 0) {
    printf("Assertion: size cannot be less equal than 0\n");
    exit(2);
  }
  uint sz = (uint)arg;
  printf("==myalloctest==\n");
  char* addr = (char*)myalloc(sz);
  memset(addr, 'a', sz);
  addr[sz-1] = 0;
  printf("%s\n", addr);
  free(addr);
  exit(0);
}

  经过运行测试之后发现，打印的步骤已经能够顺利完成了，但是内存的释放部分还不正常：
在这里插入图片描述
  打印的字符数量符合一开始输入的数字，但是在之后进行free的时候就会卡住，这里可以看一下free的代码：

void free(void *ap) {
  Header *bp, *p;

  bp = (Header *)ap - 1;
  for (p = freep; !(bp > p && bp < p->s.ptr); p = p->s.ptr)
    if (p >= p->s.ptr && (bp > p || bp < p->s.ptr)) break;
  if (bp + bp->s.size == p->s.ptr) {
    bp->s.size += p->s.ptr->s.size;
    bp->s.ptr = p->s.ptr->s.ptr;
  } else
    bp->s.ptr = p->s.ptr;
  if (p + p->s.size == bp) {
    p->s.size += bp->s.size;
    p->s.ptr = bp->s.ptr;
  } else
    p->s.ptr = bp;
  freep = p;
}

  里面的确有一个for循环，或许就是在这里被卡住了，或许是因为我采用了malloc的free函数，在这个情况下可能会导致free需要的freep指针发生紊乱，因此可以直接仿照free写出myalloc对应的myfree函数：

void myfree(void *ap) {
  Header *bp, *p;

  bp = (Header *)ap - 1;
  for (p = freeb; !(bp > p && bp < p->s.ptr); p = p->s.ptr)
    if (p >= p->s.ptr && (bp > p || bp < p->s.ptr)) break;
  if (bp + bp->s.size == p->s.ptr) {
    bp->s.size += p->s.ptr->s.size;
    bp->s.ptr = p->s.ptr->s.ptr;
  } else
    bp->s.ptr = p->s.ptr;
  if (p + p->s.size == bp) {
    p->s.size += bp->s.size;
    p->s.ptr = bp->s.ptr;
  } else
    p->s.ptr = bp;
  freeb = p;
}

  修改myalloctest.c如下：

#include "kernel/types.h"
#include "kernel/stat.h"
#include "user/user.h"

int main(int argc, char *argv[]) {
  if (argc != 2) {
    printf("Assertion: must have one argument\n");
    printf("==myalloctest failed==\n");  
    exit(1);
  }
  int arg = atoi(argv[1]);
  if (arg <= 0) {
    printf("Assertion: size cannot be less equal than 0\n");
    printf("==myalloctest failed==\n");
    exit(2);
  }
  uint sz = (uint)arg;
  printf("==myalloctest==\n");
  char* addr = (char*)myalloc(sz);
  memset(addr, 'a', sz);
  addr[sz-1] = 0;
  printf("%s\n", addr);
  myfree(addr);
  printf("==myalloctest success==\n");
  exit(0);
}

  之后再运行，就正常了：
在这里插入图片描述

  但我发现我实际上忘记把myalloc的最后一步改成freeb，当我改了之后，myfree处的死循环，它又出现了：
在这里插入图片描述
  结果还是没有成功，只能说：我只实现了按照最佳适应算法进行分配内存，但是没有实现对应的free函数，内存不能正常完成释放。

总结

  实现分区分配算法算是一个比较困难的工作了，因为网络上的资料其实非常少，大部分能搜得到的内容都是借助编程语言模拟实现的算法，并不是真实在内核中实现的，因此做这个作业的确是花费了比较多的功夫。

  不过好在结果是好的，虽然到最后我也没有在内核中完全成功实现这个算法（free没有实现），但是整个作业过程当中我已经基本明白了xv6内核的内存管理机制，不过这应该也是因为我对内存管理的各种机制不了解，因此在未来学习完了内存管理之后，我应该还会继续尝试修复这些问题，完成一对真实能运行的myalloc-myfree函数。

参考资料

  • [CSDN]-xv6源码解析（三）——内存管理
  • [CSDN]-系统调用与内存管理（sbrk、brk、mmap、munmap）
  • [GitHub]-Vikalloc_xv6_Operating_System
  • [geeksforgeeks]-Program for Best Fit algorithm in Memory Management
  • [geeksforgeeks]-Best-Fit Allocation in Operating System

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