内存管理算法实现

本节代码的调试和实现过程可参看视频：
Linux kernel Hacker, 从零构建自己的内核

在上一节，我们得知可用内存的大小后，我们就可以开发一个简单的管理算法去管理和分配可用用内存。

首先创建一个头文件mem_util.h，用来定义内存管理模块相关的数值，变量和接口：

#define  MEMMAN_FREES  4096

struct FREEINFO {
    unsigned int addr, size;
};

struct MEMMAN {
    int frees, maxfrees, lostsize, losts;
    struct FREEINFO free[MEMMAN_FREES];
};

void memman_init(struct MEMMAN *man);

unsigned int memman_total(struct MEMMAN *man);

unsigned int memman_alloc(struct MEMMAN *man, unsigned int size);

int memman_free(struct MEMMAN *man, unsigned int addr, unsigned int size);

FREEINFO 结构用来表示可用内存的起始地址和大小，MEMMAN 表示内存管理器，其中的frees 表示当前可用内存对应的FREEINO结构体有多少个，maxfrees 表示我们的内存管理器最多可以容纳多少个可用内存片，一个可用内存片就是一个FREEINFO结构体。当有内存释放时，有些释放后的内存块无法重现加入内存管理器，这些内存块就得丢掉，那么lostsize 就用来记录，内存管理器总共放弃了多少内存碎片，losts记录的是碎片的数量。

memman_init 用来初始化内存管理区结构体，memman_total用来计算一个内存管理区存储着多少可用的内存，memman_alloc 用来从指定的内存管理器对象中获取可用内存，memman_free 则用于释放不再需要的内存片。

我们再看看相关实现（mem_util.c）：

#include "mem_util.h"

void memman_init(struct MEMMAN *man) {
    man->frees = 0;
    man->maxfrees = 0;
    man->lostsize = 0;
    man->losts = 0;
}

unsigned int memman_total(struct MEMMAN *man) {
    unsigned int i, t = 0;
    for (i = 0; i < man->frees; i++) {
        t += man->free[i].size;
    }

    return t;
}

unsigned int memman_alloc(struct MEMMAN *man, unsigned int size) {
    unsigned int i, a;
    for (i = 0; i < man->frees; i++) {
        if (man->free[i].size >= size) {
            a = man->free[i].addr;
            man->free[i].size -= size;
            if (man->free[i].size == 0) {
                man->frees--;
            }

            return a;
        }
    }

    return 0;
}

int memman_free(struct MEMMAN *man, unsigned int addr, unsigned int size) {
    int i, j;
    for (i = 0; i < man->frees; i++) {
        if (man->free[i].addr > addr) {
            break;
        }
    }

    if (i > 0) {
        if (man->free[i-1].addr + man->free[i-1].size == addr) {
           man->free[i-1].size += size;
           if (i < man->frees) {
               if (addr + size == man->free[i].addr) {
                   man->free[i-1].size += man->free[i].size;
                   man->frees--;
               }
           }

           return 0;
        }
    }

    if (i < man->frees) {
        if (addr + size == man->free[i].addr) {
           man->free[i].addr = addr;
           man->free[i].size += size;
           return 0;
        }
    }

    if (man->frees < MEMMAN_FREES) {
        for (j = man->frees; j > i; j--) {
            man->free[j] = man->free[j-1];
        }

        man->frees++;
        if (man->maxfrees < man->frees) {
            man->maxfrees = man->frees;
        }

        man->free[i].addr = addr;
        man->free[i].size = size;
        return 0;
    }

    man->losts++;
    man->lostsize += size;
    return -1;
}

头三个函数逻辑比较简单，复杂的是内存释放时的处理逻辑。当有内存释放的时候，我们需要把释放内存的起始地址和大小作为参数传入。假定我们要释放的内存片起始地址是 0x200, 大小是0x100, 如果内存管理对象中存在着一片可用内存，起始地址是0x100, 长度为0x100, 那么当前释放的内存片就可以跟原有可用内存合并，合并后的内存块就是起始地址为0x100, 长度为0x200的一片内存块。

如果内存管理对象不但含有起始地址为0x100, 长度为0x100的内存片，而且还含有起始地址为0x300, 长度为0x100的内存片，这样的话，三块内存片就可以合并成一块内存，也就是起始地址为0x100, 长度为0x300的一个大块内存片。

这就是代码if( i > 0) {….} 这个模块的逻辑。

如果不存在上面的情况，比如当前内存管理模块存在的内存块是其实地址为0x100, 长度为0x50, 另一块内存块起始地址是0x350, 长度为0x100：
FREEINFO{ addr : 0x100; size : 0x50;};
FREEINFO{addr: 0x350; size: 0x100};

这样的话，我们就构建一个对应于要释放内存的FREEINFO对象，然后把这个对象插入到上面两个对象之间：
FREEINFO{ addr : 0x100; size : 0x50;};

FREEINFO{addr: 0x200; size: 0x100};

FREEINFO{addr: 0x350; size: 0x100};

这就是对应于if (i < man->frees){…} 这个分支的主要逻辑。

如果当前所有可用内存的起始地址都大于要释放的内存块，则将释放的内存块插到最前面，例如当前可用内存块为：

FREEINOF {addr: 0x350; size: 0x100;}
FREEINFO {addr: 0x460; size: 0x100;}

那么释放起始地址为0x200的内存块后，情况如下：

FREEINFO{addr: 0x200; size: 0x100;}
FREEINOF {addr: 0x350; size: 0x100;}
FREEINFO {addr: 0x460; size: 0x100;}

或者如果当前释放的内存块起始地址大于所有可用内存块，例如要释放的内存块起始地址是0x450, 其他可用的内存块起始地址分别是0x100, 0x300, 那么释放的内存块则添加到末尾：
FREEINFO{addr: 0x100; size: 0x100;}
FREEINOF {addr: 0x350; size: 0x50;}
FREEINFO {addr: 0x450; size: 0x100;}

这就是 if (man->frees < MEMMAN_FREES) {…} 的实现逻辑。

如果以上情况都不满足的话，那么当前回收的内存块则直接丢弃。

一般而言，操作系统的内存算法不可能如此简单，内存分配算法是系统内核最为复杂的模块之一，我们当前先从简单入手，后面在慢慢引入分页机制，实现更复杂的内存管理算法。

由于当前内存管理模块与原来C语言实现的模块是分开的，因此它们需要单独编译，然后再把两个编译好的 .o 文件合并成一个模块，编译过程如下：

1： 先使用命令编译mem_util.c
gcc -m32 -fno-asynchronous-unwind-tables -s -c -o mem_util.o mem_util.c

2: 再使用命令编译原来的C语言模块：
gcc -m32 -fno-asynchronous-unwind-tables -s -c -o write_vga_desktop.o write_vga_desktop.c

3：把两个编译好的模块链接成一个模块：
ld -m elf_i386 -r write_vga_desktop.o mem_util.o -o ckernel.o

4：把ckernel.o 反汇编，然后再添加到内核的汇编模块中一起编译：
./objconv -fnasm ckernel.o ckernel.asm

把上面所以步骤完成后，执行效果如下：

从显示出的信息看，虚拟机总内存是1G, 3FE MB 等于 1022M, 也就是说可用内存为1022M.

有了内存管理机制后，我们后面可以在此基础上，实现图层叠加管理，也就是窗口相互叠加时，互不影响，要实现这种功能，就需要为每个窗口分配相应的内存以便在叠加时能够互不影响。