引言

本章导读

本章展现了操作系统一系列功能：

  • 通过动态内存分配，提高了应用程序对内存的动态使用效率

  • 通过页表的虚实内存映射机制，简化了编译器对应用的地址空间设置

  • 通过页表的虚实内存映射机制，加强了应用之间，应用与内核之间的内存隔离，增强了系统安全

  • 通过页表的虚实内存映射机制，可以实现空分复用（提出，但没有实现）

上一章，我们分别实现了多道程序和分时多任务系统，它们的核心机制都是任务切换。由于多道程序和分时多任务系统的设计初衷不同，它们在任务切换的时机和策略也不同。有趣的一点是，任务切换机制对于应用是完全 透明 (Transparent) 的，应用可以不对内核实现该机制的策略做任何假定（除非要进行某些针对性优化），甚至可以完全不知道这机制的存在。

在大多数应用（也就是应用开发者）的视角中，它们会独占一整个 CPU 和特定（连续或不连续）的内存空间。当然，通过上一章的学习，我们知道在现代操作系统中，出于公平性的考虑，我们极少会让独占CPU这种情况发生。所以应用自认为的独占CPU只是内核想让应用看到的一种 幻象 (Illusion) ，而 CPU 计算资源被 时分复用 (TDM, Time-Division Multiplexing) 的实质被内核通过恰当的抽象隐藏了起来，对应用不可见。

与之相对，我们目前还没有对内存管理功能进行有效的管理，仅仅是把程序放到某处的物理内存中。在内存访问方面，所有的应用都直接通过物理地址访问物理内存，这使得应用开发者需要了解繁琐的物理地址空间布局，访问内存也很不方便。在上一章中，出于任务切换的需要，所有的应用都在初始化阶段被加载到内存中并同时驻留下去直到它们全部运行结束。而且，所有的应用都直接通过物理地址访问物理内存。这会带来以下问题：

  • 首先，内核提供给应用的内存访问接口不够透明，也不好用。由于应用直接访问物理内存，这需要它在构建的时候就需要规划自己需要被加载到哪个地址运行。为了避免冲突可能还需要应用的开发者们对此进行协商，这显然是一件在今天看来不可理喻且极端麻烦的事情。

  • 其次，内核并没有对应用的访存行为进行任何保护措施，每个应用都有整块物理内存的读写权力。即使应用被限制在 U 特权级下运行，它还是能够造成很多麻烦：比如它可以读写其他应用的数据来窃取信息或者破坏它的正常运行；甚至它还可以修改内核的代码段来替换掉原本的 trap_handler 来挟持内核执行恶意代码。总之，这造成系统既不安全、也不稳定。

  • 再次，目前应用的内存使用空间在其运行前已经限定死了，内核不能灵活地给应用程序提供的运行时动态可用内存空间。比如一个应用结束后，这个应用所占的空间就被释放了，但这块空间无法动态地给其它还在运行的应用使用。

因此，为了防止应用胡作非为，本章将更好的管理物理内存，并提供给应用一个抽象出来的更加透明易用、也更加安全的访存接口，这就是基于分页机制的虚拟内存。站在应用程序运行的角度看，就是存在一个从“0”地址开始的非常大的可读/可写/可执行的地址空间（Address Space）。

实现地址空间的第一步就是实现分页机制，建立好虚拟内存和物理内存的页映射关系。此过程涉及硬件细节，不同的地址映射关系组合，相对比较复杂。总体而言，我们需要思考如下问题：

  • 硬件中物理内存的范围是什么？

  • 哪些物理内存空间需要建立页映射关系？

  • 如何建立页表使能分页机制？

  • 如何确保OS能够在分页机制使能前后的不同时间段中都能正常寻址和执行代码？

  • 页目录表（一级）的起始地址设置在哪里？

  • 二级/三级等页表的起始地址设置在哪里，需要多大空间？

  • 如何设置页目录表项的内容？

  • 如何设置其它页表项的内容？

  • 如果要让每个任务有自己的地址空间，那每个任务是否要有自己的页表？

  • 代表应用程序的任务和操作系统需要有各自的页表吗？

  • 在有了页表之后，任务和操作系统之间应该如何传递数据？

如果能解决上述问题，我们就能设计实现具有超强防护能力的侏罗纪“头甲龙”操作系统。并可更好地理解地址空间，虚拟地址等操作系统的抽象概念与操作系统的虚存具体实现之间的联系。

实践体验

本章的应用和上一章相同，只不过由于内核提供给应用的访存接口被替换，应用的构建方式发生了变化，这方面在下面会深入介绍。 因此应用运行起来的效果与上一章是一致的。

警告

我们不会在以后的实验中用到优先级调度，而 ch3 实现的内存检查也会被虚存直接覆盖。所以你可以直接基本框架代码继续实验，无需 merge ch3 的修改。

获取本章代码：

$ git checkout ch4

在 qemu 模拟器上运行本章代码：

$ make test BASE=1

本章代码树

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:emphasize-lines: 56

.
├── bootloader
│   └── rustsbi-qemu.bin
├── LICENSE
├── Makefile
├── os
│   ├── console.c
│   ├── console.h
│   ├── const.h
│   ├── defs.h
│   ├── entry.S
│   ├── kalloc.c
│   ├── kalloc.h
│   ├── kernel.ld
│   ├── kernelld.py
│   ├── loader.c
│   ├── loader.h
│   ├── log.h
│   ├── main.c
│   ├── pack.py
│   ├── printf.c
│   ├── printf.h
│   ├── proc.c
│   ├── proc.h
│   ├── riscv.h
│   ├── sbi.c
│   ├── sbi.h
│   ├── string.c
│   ├── string.h
│   ├── switch.S
│   ├── syscall.c
│   ├── syscall.h
│   ├── syscall_ids.h
│   ├── timer.c
│   ├── timer.h
│   ├── trampoline.S
│   ├── trap.c
│   ├── trap.h
│   ├── types.h
│   ├── vm.c
│   └── vm.h
├── README.md
├── scripts
│   ├── kernelld.py
│   └── pack.py
└── user

本章代码导读

本章涉及的代码量相对多了起来。新增的代码主要是集中在页表的处理上的。由于课程整改，春季学期的同学们可能还没有上过计组，对页表的内容还不太熟悉。因此本章的内容可能需要同学们多多回顾OS课上对页表的讲解。同时本章也会介绍我们OS的Riscv-64指令集是如何设计页表，以及页表读取和修改的方式。