harmony 鸿蒙虚拟内存管理

2022-08-09
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虚拟内存管理

基本概念

虚拟内存管理是计算机系统管理内存的一种技术。每个进程都有连续的虚拟地址空间，虚拟地址空间的大小由CPU的位数决定，32位的硬件平台可以提供的最大的寻址空间为0-4GiB。整个4GiB空间分成两部分，LiteOS-A内核占据3GiB的高地址空间，1GiB的低地址空间留给用户态进程使用。各个进程空间的虚拟地址空间是独立的，代码、数据互不影响。

系统将虚拟内存分割为称为虚拟页的内存块，大小一般为4KiB或64KiB，LiteOS-A内核默认的页的大小是4KiB，根据需要可以对MMU（Memory Management Units）进行配置。虚拟内存管理操作的最小单位就是一个页，LiteOS-A内核中一个虚拟地址区间region包含地址连续的多个虚拟页，也可只有一个页。同样，物理内存也会按照页大小进行分割，分割后的每个内存块称为页帧。虚拟地址空间划分：内核态占高地址3GiB(0x40000000 ~ 0xFFFFFFFF)，用户态占低地址1GiB(0x01000000 ~ 0x3F000000)，具体见下表，详细可以查看或配置los_vm_zone.h。

表1 内核态地址规划

Zone名称	描述	属性
DMA zone	供IO设备的DMA使用。	Uncache
Normal zone	加载内核代码段、数据段、堆和栈的地址区间。	Cache
high mem zone	可以分配连续的虚拟内存，但其所映射的物理内存不一定连续。	Cache

表2 用户态虚地址规划

Zone名称	描述	属性
代码段	用户态代码段地址区间。	Cache
堆	用户态堆地址区间。	Cache
栈	用户态栈地址区间。	Cache
共享库	用于加载用户态共享库的地址区间，包括mmap所映射的区间。	Cache

运行机制

虚拟内存管理中，虚拟地址空间是连续的，但是其映射的物理内存并不一定是连续的，如下图所示。可执行程序加载运行，CPU访问虚拟地址空间的代码或数据时存在两种情况：

CPU访问的虚拟地址所在的页，如V0，已经与具体的物理页P0做映射，CPU通过找到进程对应的页表条目（详见虚实映射），根据页表条目中的物理地址信息访问物理内存中的内容并返回。
CPU访问的虚拟地址所在的页，如V2，没有与具体的物理页做映射，系统会触发缺页异常，系统申请一个物理页，并把相应的信息拷贝到物理页中，并且把物理页的起始地址更新到页表条目中。此时CPU重新执行访问虚拟内存的指令便能够访问到具体的代码或数据。

图1 内存映射示意图

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开发指导

接口说明

表3 获取进程空间系列接口

接口名称	描述
LOS_CurrSpaceGet	获取当前进程空间结构体指针
LOS_SpaceGet	获取虚拟地址对应的进程空间结构体指针
LOS_GetKVmSpace	获取内核进程空间结构体指针
LOS_GetVmallocSpace	获取vmalloc空间结构体指针
LOS_GetVmSpaceList	获取进程空间链表指针

表4 虚拟地址区间region相关的操作

接口名称	描述
LOS_RegionFind	在进程空间内查找并返回指定地址对应的虚拟地址区间
LOS_RegionRangeFind	在进程空间内查找并返回指定地址范围对应的虚拟地址区间
LOS_IsRegionFileValid	判断虚拟地址区间region是否与文件关联映射
LOS_RegionAlloc	申请空闲的虚拟地址区间
LOS_RegionFree	释放进程空间内特定的region
LOS_RegionEndAddr	获取指定地址区间region的结束地址
LOS_RegionSize	获取region的大小
LOS_IsRegionTypeFile	判断是否为文件内存映射
LOS_IsRegionPermUserReadOnly	判断地址区间是否是用户空间只读属性
LOS_IsRegionFlagPrivateOnly	判断地址区间是否是具有私有属性
LOS_SetRegionTypeFile	设置文件内存映射属性
LOS_IsRegionTypeDev	判断是否为设备内存映射
LOS_SetRegionTypeDev	设置设备内存映射属性
LOS_IsRegionTypeAnon	判断是否为匿名映射
LOS_SetRegionTypeAnon	设置匿名映射属性

表5 地址校验

接口名称	描述
LOS_IsUserAddress	判断地址是否在用户态空间
LOS_IsUserAddressRange	判断地址区间是否在用户态空间
LOS_IsKernelAddress	判断地址是否在内核空间
LOS_IsKernelAddressRange	判断地址区间是否在内核空间
LOS_IsRangeInSpace	判断地址区间是否在进程空间内

表6 vmalloc操作

接口名称	描述
LOS_VMalloc	vmalloc申请内存
LOS_VFree	vmalloc释放内存
LOS_IsVmallocAddress	判断地址是否是通过vmalloc申请的

表7 内存申请系列接口

接口名称	描述
LOS_KernelMalloc	当申请的内存小于16KiB时，系统从堆内存池分配内存；当申请的内存超过16KiB时，系统分配多个连续物理页用于内存分配
LOS_KernelMallocAlign	申请具有对齐属性的内存，申请规则同LOS_KernelMalloc接口
LOS_KernelFree	释放由LOS_KernelMalloc和LOS_KernelMallocAlign接口申请的内存
LOS_KernelRealloc	重新分配由LOS_KernelMalloc和LOS_KernelMallocAlign接口申请的内存

表8 其他

接口名称	描述
LOS_PaddrQuery	根据虚拟地址获取对应的物理地址
LOS_VmSpaceFree	释放进程空间，包括虚拟内存区间、页表等信息
LOS_VmSpaceReserve	在进程空间中预留一块内存空间
LOS_VaddrToPaddrMmap	将指定长度的物理地址区间与虚拟地址区间做映射，需提前申请物理地址区间

开发流程

虚拟内存相关接口的使用：

根据进程空间获取的系列接口可以得到进程空间结构体，进而可以读取结构体相应信息。
对虚拟地址区间做相关操作：
- 通过LOS_RegionAlloc申请虚拟地址区间；
- 通过LOS_RegionFind、LOS_RegionRangeFind可以查询是否存在相应的地址区间；
- 通过LOS_RegionFree释放虚拟地址区间。
vmalloc接口及内存申请系列接口可以在内核中根据需要申请内存。

说明：

内存申请系列接口申请的内存要求物理内存是连续的，当系统内存无法满足大块连续内存的申请条件时会申请失败，一般适用于小块内存的申请；vmalloc相关接口申请的内存可以获得不连续的物理内存，但其是以页（当前系统一个页为4096字节）为单位的，当需要申请以页为整数倍的内存时可以通过vmalloc申请，例如文件系统中文件读取需要较大的缓存，便可以通过vmalloc相关接口申请内存。