参考 · 内存:PMM、VMM、内核堆与地址空间

查阅层。这一页是 Cinux 内存子系统的速查表,不按 tag 组织,给后续章节(堆分配、用户地址空间 022、CoW page fault 035、GUI 大缓冲 029……)查区段地址、页表 flag、分配器接口用。实现以最终 tag 035_multi_terminal 的源码为准。
范围:物理页分配(PMM 位图)、4 级分页(VMM)、内核堆(首次适配 + 合并)、每进程地址空间(AddressSpace)、高半区 direct map。不含 slab、不含 swap、不含内存压缩——Cinux 是按需分页 + 简单 free-list 堆。

子系统地图

text

   E820 BIOS 内存图(usable RAM)                内核镜像 + 栈(loader 已映射)
        │  parse_memory_map                       │
        │  过滤 type-1、去 <1MB、4KB 对齐          │
        ▼                                         ▼
   ┌──────────────────────────┐       ┌──────────────────────────────────┐
   │  PMM(位图,1 bit/page)    │       │  VMM(4 级页表 PML4→PDPT→PD→PT)     │
   │  alloc_page → 物理地址     │◀──────│  map(virt,phys,flags)             │
   │  0 = OOM                  │ 分配页 │  缺中间表时向 PMM 要页、清零、接线  │
   └──────────────┬───────────┘       └──────────────┬───────────────────┘
                  │ 也供堆 expand                       │ 也驱动
                  ▼                                    ▼
   ┌──────────────────────────┐       ┌──────────────────────────────────┐
   │  Heap(free-list,32B 头)   │       │  AddressSpace(每进程 PML4)        │
   │  first-fit + split + 合并 │       │  内核半 [256..511] 镜像全局映射     │
   │  expand 经 VMM,有上限      │       │  用户半 [0..255] 私有              │
   │  g_heap(全局 new/delete)  │       │  activate() = 写 CR3              │
   └──────────────────────────┘       └──────────────────────────────────┘

两条地址翻译习惯用法贯穿全书:phys_to_virt(p) = p + KERNEL_VMA(走 direct map,前提是该物理页被 loader 全量映射);virt_to_phys(v) = v - KERNEL_VMA。

内核虚拟内存布局

kernel/arch/x86_64/memory_layout.hpp 把高半区(从 KMEM_BASE = 0xFFFF800000000000)切成连续区段,每段 = 前一段 base+size。区段别重叠是布局健全性的第一层(028e 收拢),区段内部有上限是第二层(029 补),direct map 覆盖全是第三层(029 补):

区段	相对 KMEM_BASE 偏移	绝对基址	大小	用途
HEAP	`+0x0000_0000`	`0xFFFF8000_00000000`	128 MB(`0x800_0000`)	内核堆(`g_heap`),`new`/`delete`
MMIO	`+0x0800_0000`	`0xFFFF8000_08000000`	2 MB(`0x20_0000`)	设备 MMIO(AHCI BAR5 等)
FB	`+0x0820_0000`	`0xFFFF8000_08200000`	16 MB(`0x100_0000`)	帧缓冲(2MB 对齐,大页映射)
STACK	`+0x0920_0000`	`0xFFFF8000_09200000`	~1 MB(隐式)	每任务内核栈(向上分配)
DMA	`+0x0930_0000`	`0xFFFF8000_09300000`	1 MB(`0x10_0000`)	临时 DMA 缓冲(扇区读等)
EXT2_DMA	`+0x0940_0000`	`0xFFFF8000_09400000`	1 MB(`0x10_0000`)	ext2 块缓存 / DMA

KERNEL_VMA = 0xFFFFFFFF80000000(高半区 direct map 基址,必须和 linker.ld 一致)。整套布局合计 ~149 MB 虚拟预留;预留虚拟区段 ≠ 立刻吃物理内存——物理页按需由 PMM 分配。

改这张表要同步跑 scripts/check_memory_layout.py(检查区段不重叠、不越界)。canvas 那次就是堆从 1 MB 涨到 3 MB 撞进 MMIO/Stack,见 029-canvas-heap-directmap.md。

物理内存管理 PMM

cinux::mm::PMM(位图分配器,1 bit / 4KB page,g_pmm 全局,内含 Spinlock):

接口	说明
`init(BootInfo&)`	从 E820 图建位图,标记内核镜像/栈已用
`alloc_page() → phys`	单页,返回物理地址,`0` = OOM
`alloc_pages(count) → base`	count 个连续页(`__builtin_ctzll` 加速扫描)
`free_page(phys)` / `free_pages(phys,count)`	释放(0 或已空闲则 no-op)
`free_page_count()` / `total_page_count()`	空闲 / 总页数
`alloc_page_locked()` / `free_page_locked()`	不上锁版本——仅在关中断、无并发 PMM 访问时用(如 page fault handler 在中断门里)

parse_memory_map(BootInfo, regions, max):过滤 E820 type-1(usable)、去掉 1 MB 以下、4KB 对齐。位图本身放在 __kernel_stack_top 之后的虚拟页。

虚拟内存管理 VMM

cinux::mm::VMM(4 级页表实例对象——为多地址空间设计,g_vmm 全局,内含 Spinlock):

接口	说明
`init()`	读 CR3 存为内核 PML4
`map(virt, phys, flags, pml4=null)`	4KB 页,缺中间表时向 PMM 要页+清零+接线;返回 bool(PMM 失败则 false)
`map_2mb(virt, phys, flags, pml4=null)`	2MB 大页(virt/phys 必须 2MB 对齐)
`unmap(virt, pml4=null)`	清 PT 项 + `invlpg`;不释放物理页(调用方还 PMM)
`split_2mb_page(virt) → bool`	把一个 2MB 大页拆成 512×4KB(保留 flag),拆完才能逐页 unmap
`translate(virt, pml4=null) → phys`	走页表查物理地址,未映射返回 0
`map_nolock(...)`	不上锁版,关中断上下文用(如 PF handler)
`kernel_pml4()`	内核 PML4 物理地址

所有 pml4 参数省略时走内核 PML4;AddressSpace 把自己的 PML4 传进去做用户态映射。

页表项与 flag

PageEntry(8 字节 union,paging.hpp)位域:present, writable, user, pwt, pcd, accessed, dirty, huge, global, _avail[3], addr[40], _avail2[11], nx。ADDR_MASK = 0x000FFFFFFFFFF000(物理页基址 52 位)。flag(paging_config.hpp):

flag	位	值	含义
`FLAG_PRESENT`	0	`0x001`	存在位
`FLAG_WRITABLE`	1	`0x002`	可写
`FLAG_USER`	2	`0x004`	用户态可访问(DPL3)
`FLAG_PWT`	3	`0x008`	write-through 缓存策略
`FLAG_PCD`	4	`0x010`	禁缓存(MMIO 必备)
`FLAG_ACCESSED`	5	`0x020`	CPU 置(读/写命中)
`FLAG_DIRTY`	6	`0x040`	CPU 置(写命中)
`FLAG_HUGE`	7	`0x080`	大页(PD 级 = 2MB)
`FLAG_GLOBAL`	8	`0x100`	全局页(CR3 切换不刷 TLB)
`FLAG_COW`	9	`0x200`	可用位 9:Cinux 复用为 CoW 标记
`FLAG_NX`	63	`1<<63`	不可执行

索引提取:PML4_INDEX = (v>>39)&0x1FF、PDPT_INDEX=(v>>30)、PD_INDEX=(v>>21)、PT_INDEX=(v>>12)。PAGE_SIZE=4096、每表 PT_ENTRIES=512。is_user_vaddr(v) 判 bit47==0(用户空间 0..0x00007FFF_FFFFFFFF)。

TLB:flush_tlb(virt) 单页 invlpg;flush_tlb_all() 重写 CR3;read_cr3()/write_cr3()。map_mmio(phys,size) 是帧缓冲驱动用的旧接口。

FLAG_COW(bit9)存在 ≠ CoW 完整。 035 把 handle_cow_fault 接进了 #PF(present+write+user 路径),但 CoW 的引用计数仍有限;split_2mb_page 虽定义、guard-page 的 unmap 消费者在 035 未接线(死代码)。转述这两个机制前先 git show <tag>:kernel/mm/... 核对。

内核堆 Heap

cinux::mm::Heap(free-list,g_heap 全局;C++ new/delete 重定向到它):

块头 32 字节(BlockHeader):magic、size(payload,不含头)、free、_pad[12]、next。magic 在 free() 时校验,防双重释放/越界。
首次适配 + 分裂:alloc(size, align=16) 顺 free list 找第一个够大的块,太大就分裂。
合并:free() 把块标空闲,并与相邻空闲块合并降碎片。
自动扩容 + 硬上限:expand(min_bytes) → bool——free list 不够时经 VMM 映射新页。029 起扩容前查 size_ + 增量 <= max_size_(=KMEM_HEAP_SIZE=128MB),失败返 false、不递归硬冲。这是 canvas 3MB 事件后补的洞一。
并发:Spinlock lock_ 保护;alloc_locked/内部路径在持锁态跑。

地址空间 AddressSpace

cinux::mm::AddressSpace(每进程一个,move-only,拷贝 delete):

构造:向 PMM 要一页做 PML4、清零,再把内核半 PML4[256..511] 从内核 PML4 拷过来(每个地址空间都能看到内核映射);用户半 [0..255] 私有。
析构:递归释放用户半整棵子树(PDPT→PD→PT)回 PMM,最后释放 PML4 页。
map/unmap/translate:委托 VMM,以本空间 PML4 为根。
activate():把 pml4_phys_ 写进 CR3(隐式刷 TLB)——进程切换的核心动作。
init_kernel():启动时读 CR3 存为内核 PML4(必须在建任何 AddressSpace 之前调一次)。

约束与边界(本子系统的真实限制)

phys_to_virt(p)=p+KERNEL_VMA 成立的前提:direct map 覆盖了 PMM 可能返回的全部物理地址。 loader 只映射内核镜像不够;PMM 管多少 RAM,direct map 就得映射多少(029 改成全量映射,用 2MB/1GB 大页低开销盖住)。否则 alloc_page 返回高地址页,phys_to_virt 给个没人映射的虚拟地址,一访问就 PF。
堆有 128MB 硬上限。 超过 max_size_ 的 expand 返 false、alloc 返 nullptr。预留 128MB 虚拟不等于吃 128MB 物理(按需分页)。
unmap 不还物理页。 谁映射谁还;漏还 = 内存泄漏。
alloc_page_locked/map_nolock 不上锁,只能在关中断、无并发时用(典型:中断门里的 PF handler)。普通路径必须走带锁版本,否则与别的核/别的中断踩踏位图与页表。
CoW / guard page 在 035 是半成品(见上)。引用「写时复制已工作」「guard page 会触发」前先核对源码。
单核假设。 PMM/VMM/Heap 的 Spinlock 在单核 + 中断串行下够用;真上 SMP 要重新审页表自旋与 per-CPU 缓存。

验证入口

host 单测:ctest --test-dir build -R "pmm|vmm|heap" --output-on-failure(test/unit/test_pmm.cpp、test_vmm.cpp、test_heap.cpp)。
QEMU 机内测:cmake --build build --target run-big-kernel-test(kernel/test/ 下 mm 相关套,走真页表/真 PF)。
布局自检:scripts/check_memory_layout.py。

源码索引

布局:memory_layout.hpp + check_memory_layout.py。
PMM:pmm.hpp / pmm.cpp。
VMM:vmm.hpp / vmm.cpp。
分页原语:paging.hpp / paging_config.hpp / paging.cpp。
堆:heap.hpp / heap.cpp。
地址空间:address_space.hpp / address_space.cpp。
direct map 全量映射:loader(bigKernelLoader/boot)phase2 扫 E820。

权威依据

Intel SDM Vol 3,Ch 4(4 级分页、PML4/PDPT/PD/PT、页表项位编码、大页、PAT/PCD/PWT 缓存属性、CR3):页表结构与 flag 位定义的唯一来源。
Intel SDM Vol 3,Ch 6(#PF 错误码、present/write/user 位):CoW / demand paging 的判定依据。
OSDev — Page Table、Paging、Detecting Memory (x86)(E820)。
Linux direct map / phys_to_virt(phys + PAGE_OFFSET):全量映射物理内存的参照模型。https://www.kernel.org/doc/html/latest/core-api/mm-api.html
xv6 MIT 6.S081:简单 free-list 堆 + 三级页表(RISC-V)的设计对比。

参考 · 内存:PMM、VMM、内核堆与地址空间 ​

子系统地图 ​

内核虚拟内存布局 ​

物理内存管理 PMM ​

虚拟内存管理 VMM ​

页表项与 flag ​

内核堆 Heap ​

地址空间 AddressSpace ​

约束与边界(本子系统的真实限制) ​

验证入口 ​

源码索引 ​

权威依据 ​