动态内存分配

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2023-12-01

动态内存分配

我们之前在 C/C++ 语言等中使用过 malloc/free 等动态内存分配方法，与在编译期就已完成的静态内存分配相比，动态内存分配可以根据程序运行时状态修改内存申请的时机及大小，显得更为灵活，但是这是需要操作系统的支持的，同时也会带来一些开销。

我们的内核中也需要动态内存分配。典型的应用场景有：

Box<T> ，你可以理解为它和 malloc 有着相同的功能；
引用计数 Rc<T>，原子引用计数 Arc<T>，主要用于在引用计数清零，即某对象不再被引用时，对该对象进行自动回收；
一些 Rust std 标准库中的数据结构，如 Vec 和 HashMap 等。

我们编写的操作系统不能直接使用 Rust std 标准库提供的动态内存分配功能，因为这些功能需要底层操作系统的支持，这就形成了循环依赖的矛盾了。为了在我们的内核中支持动态内存分配，在 Rust 语言中，我们需要实现 Trait GlobalAlloc，将这个类实例化，并使用语义项 #[global_allocator] 进行标记。这样的话，编译器就会知道如何使用我们提供的内存分配函数进行动态内存分配。

为了实现 Trait GlobalAlloc，我们需要支持这么两个函数：

unsafe fn alloc(&self, layout: Layout) -> *mut u8;
unsafe fn dealloc(&self, ptr: *mut u8, layout: Layout);

可见我们要分配/回收一块虚拟内存。

那么这里面的 Layout 又是什么呢？从文档中可以找到，它有两个字段：size 表示要分配的字节数，align 则表示分配的虚拟地址的最小对齐要求，即分配的地址要求是 align 的倍数。这里的 align 必须是 2 的幂次。

也就表示，我们的需求是分配一块连续的、大小至少为 size 字节的虚拟内存，且对齐要求为 align 。

连续内存分配算法

假设我们已经有一整块虚拟内存用来分配，那么如何进行分配呢？

我们可能会想到一些简单粗暴的方法，比如对于一个分配任务，贪心地将其分配到可行的最小地址去。这样一直分配下去的话，我们分配出去的内存都是连续的，看上去很合理的利用了内存。

但是一旦涉及到回收的话，设想我们在连续分配出去的很多块内存中间突然回收掉一块，它虽然是可用的，但是由于上下两边都已经被分配出去，它就只有这么大而不能再被拓展了，这种可用的内存我们称之为外碎片。

随着不断回收会产生越来越多的碎片，某个时刻我们可能会发现，需要分配一块较大的内存，几个碎片加起来大小是足够的，但是单个碎片是不够的。我们会想到通过碎片整理将几个碎片合并起来。但是这个过程的开销极大。

在操作系统课程上，我们了解到还有若干更有效的内存分配算法，包括伙伴系统（Buddy System）和 SLAB 分配器等算法，我们在这里使用 Buddy System 来实现这件事情。

支持动态内存分配

为了避免重复造轮子，我们可以直接开一个静态的 8M 数组作为堆的空间，然后调用 @jiege 开发的 Buddy System Allocator。

os/src/memory/config.rs

/// 操作系统动态分配内存所用的堆大小（8M）
pub const KERNEL_HEAP_SIZE: usize = 0x80_0000;

os/src/memory/heap.rs

/// 进行动态内存分配所用的堆空间
/// 
/// 大小为 [`KERNEL_HEAP_SIZE`]  
/// 这段空间编译后会被放在操作系统执行程序的 bss 段
static mut HEAP_SPACE: [u8; KERNEL_HEAP_SIZE] = [0; KERNEL_HEAP_SIZE];

/// 堆，动态内存分配器
/// 
/// ### `#[global_allocator]`
/// [`LockedHeap`] 实现了 [`alloc::alloc::GlobalAlloc`] trait，
/// 可以为全局需要用到堆的地方分配空间。例如 `Box` `Arc` 等
#[global_allocator]
static HEAP: LockedHeap = LockedHeap::empty();

/// 初始化操作系统运行时堆空间
pub fn init() {
    // 告诉分配器使用这一段预留的空间作为堆
    unsafe {
        HEAP.lock().init(
            HEAP_SPACE.as_ptr() as usize, KERNEL_HEAP_SIZE
        )
    }
}

/// 空间分配错误的回调，直接 panic 退出
#[alloc_error_handler]
fn alloc_error_handler(_: alloc::alloc::Layout) -> ! {
    panic!("alloc error")
}

同时还有一些模块调用等细节代码，这里不再贴出，请参考完成本章后的仓库中的代码。

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提示：
在 os/Cargo.toml 中添加相关的依赖；
在 os/main.rs 中添加对 Rust 新特性 alloc_error_handler 的引用。

动态内存分配测试

现在我们来测试一下动态内存分配是否有效，分配一个动态数组：

os/src/main.rs

/// Rust 的入口函数
///
/// 在 `_start` 为我们进行了一系列准备之后，这是第一个被调用的 Rust 函数
#[no_mangle]
pub extern "C" fn rust_main() -> ! {
    // 初始化各种模块
    interrupt::init();
    memory::init();

    // 动态内存分配测试
    use alloc::boxed::Box;
    use alloc::vec::Vec;
    let v = Box::new(5);
    assert_eq!(*v, 5);
    core::mem::drop(v);

    let mut vec = Vec::new();
    for i in 0..10000 {
        vec.push(i);
    }
    assert_eq!(vec.len(), 10000);
    for (i, value) in vec.into_iter().enumerate() {
        assert_eq!(value, i);
    }
    println!("heap test passed");

    panic!()
}

最后，运行一下会看到 heap test passed 类似的输出。有了这个工具之后，后面我们就可以使用一系列诸如 Vec 等基于动态分配实现的库中的结构了。

思考

动态分配的内存地址在哪个范围里？

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在 .bss 段中，因为我们用来存放动态分配的这段是一个静态的没有初始化的数组，算是内核代码的一部分。