malloc.c

Linux011的源代码及注释 Linux 0.11版本加注释

/*
 * malloc.c - Linux 的通用内核内存分配函数。
 * 
 * 由Theodore Ts'o 编制([e-mail]), 11/29/91
 *
 * 该函数被编写成尽可能地快，从而可以从中断层调用此函数。
 *
 * 限制：使用该函数一次所能分配的最大内存是4k，也即Linux 中内存页面的大小。
 *
 * 编写该函数所遵循的一般规则是每页(被称为一个存储桶)仅分配所要容纳对象的大小。
 * 当一页上的所有对象都释放后，该页就可以返回通用空闲内存池。当malloc()被调用
 * 时，它会寻找满足要求的最小的存储桶，并从该存储桶中分配一块内存。
 *
 * 每个存储桶都有一个作为其控制用的存储桶描述符，其中记录了页面上有多少对象正被
 * 使用以及该页上空闲内存的列表。就象存储桶自身一样，存储桶描述符也是存储在使用
 * get_free_page()申请到的页面上的，但是与存储桶不同的是，桶描述符所占用的页面
 * 将不再会释放给系统。幸运的是一个系统大约只需要1 到2 页的桶描述符页面，因为一
 * 个页面可以存放256 个桶描述符(对应1MB 内存的存储桶页面)。如果系统为桶描述符分
 * 配了许多内存，那么肯定系统什么地方出了问题  :-)
 *
 * 注意！malloc()和free()两者关闭了中断的代码部分都调用了get_free_page()和
 *       free_page()函数，以使malloc()和free()可以安全地被从中断程序中调用
 *       (当网络代码，尤其是NFS 等被加入到Linux 中时就可能需要这种功能)。但前
 *       提是假设get_free_page()和free_page()是可以安全地在中断级程序中使用的，
 *       这在一旦加入了分页处理之后就可能不是安全的。如果真是这种情况，那么我们
 *       就需要修改malloc()来“预先分配”几页不用的内存，如果malloc()和free()
 *       被从中断程序中调用时就可以安全地使用这些页面。
 *
 *       另外需要考虑到的是get_free_page()不应该睡眠；如果会睡眠的话，则为了防止
 *       任何竞争条件，代码需要仔细地安排顺序。关键在于如果malloc()是可以重入地
 *       被调用的话，那么就会存在不必要的页面被从系统中取走的机会。除了用于桶描述
 *       符的页面，这些额外的页面最终会释放给系统，所以并不是象想象的那样不好。
 */
#include <set_seg.h>

#include <linux/kernel.h>// 内核头文件。含有一些内核常用函数的原形定义。
#include <linux/mm.h>// 内存管理头文件。含有页面大小定义和一些页面释放函数原型。
#include <asm/system.h>// 系统头文件。定义了设置或修改描述符/中断门等的嵌入式汇编宏。

// 存储桶描述符结构。
struct bucket_desc {	/* 16 bytes */
	void			*page;			// 该桶描述符对应的内存页面指针。
	struct bucket_desc	*next;		// 下一个描述符指针。
	void			*freeptr;		// 指向本桶中空闲内存位置的指针。
	unsigned short		refcnt;		// 引用计数。
	unsigned short		bucket_size;// 本描述符对应存储桶的大小。
};

// 存储桶描述符目录结构。
struct _bucket_dir {	/* 8 bytes */
	int			size;			// 该存储桶的大小(字节数)。
	struct bucket_desc	*chain;	// 该存储桶目录项的桶描述符链表指针。
};

/*
 * 下面是我们存放第一个给定大小存储桶描述符指针的地方。  
 *
 * 如果Linux 内核分配了许多指定大小的对象，那么我们就希望将该指定的大小加到
 * 该列表(链表)中，因为这样可以使内存的分配更有效。但是，因为一页完整内存页面
 * 必须用于列表中指定大小的所有对象，所以需要做总数方面的测试操作。
 */
// 存储桶目录列表(数组)。
struct _bucket_dir bucket_dir[] = {
	{ 16,	(struct bucket_desc *) 0},// 16 字节长度的内存块。
	{ 32,	(struct bucket_desc *) 0},// 32 字节长度的内存块。
	{ 64,	(struct bucket_desc *) 0},// 64 字节长度的内存块。
	{ 128,	(struct bucket_desc *) 0},// 128 字节长度的内存块。
	{ 256,	(struct bucket_desc *) 0},// 256 字节长度的内存块。
	{ 512,	(struct bucket_desc *) 0},// 512 字节长度的内存块。
	{ 1024,	(struct bucket_desc *) 0},// 1024 字节长度的内存块。
	{ 2048, (struct bucket_desc *) 0},// 2048 字节长度的内存块。
	{ 4096, (struct bucket_desc *) 0},// 4096 字节(1 页)内存。
	{ 0,    (struct bucket_desc *) 0}};   /* End of list marker */

/*
 * 下面是含有空闲桶描述符内存块的链表。
 */
struct bucket_desc *free_bucket_desc = (struct bucket_desc *) 0;

/*
 * 下面的子程序用于初始化一页桶描述符页面。
 */
//// 初始化桶描述符。
// 建立空闲桶描述符链表，并让free_bucket_desc 指向第一个空闲桶描述符。
static _inline void init_bucket_desc()
{
	struct bucket_desc *bdesc, *first;
	int	i;
	
// 申请一页内存，用于存放桶描述符。如果失败，则显示初始化桶描述符时内存不够出错信息，死机。
	first = bdesc = (struct bucket_desc *) get_free_page();
	if (!bdesc)
		panic("Out of memory in init_bucket_desc()");
// 首先计算一页内存中可存放的桶描述符数量，然后对其建立单向连接指针。
	for (i = PAGE_SIZE/sizeof(struct bucket_desc); i > 1; i--) {
		bdesc->next = bdesc+1;
		bdesc++;
	}
	/*
	 * 这是在最后处理的，目的是为了避免在get_free_page()睡眠时该子程序又被 
	 * 调用而引起的竞争条件。
	 */
// 将空闲桶描述符指针free_bucket_desc 加入链表中。
	bdesc->next = free_bucket_desc;
	free_bucket_desc = first;
}

//// 分配动态内存函数。
// 参数：len - 请求的内存块长度。
// 返回：指向被分配内存的指针。如果失败则返回NULL。
void *malloc(unsigned int len)
{
	struct _bucket_dir	*bdir;
	struct bucket_desc	*bdesc;
	void			*retval;

/*
 * 首先我们搜索存储桶目录bucket_dir 来寻找适合请求的桶大小。
 */
// 搜索存储桶目录，寻找适合申请内存块大小的桶描述符链表。如果目录项的桶字节
// 数大于请求的字节数，就找到了对应的桶目录项。
	for (bdir = bucket_dir; bdir->size; bdir++)
		if (bdir->size >= len)
			break;
// 如果搜索完整个目录都没有找到合适大小的目录项，则表明所请求的内存块大小太大，超出了该
// 程序的分配限制(最长为1 个页面)。于是显示出错信息，死机。
	if (!bdir->size) {
		printk("malloc called with impossibly large argument (%d)\n",
			len);
		panic("malloc: bad arg");
	}
	/*
	 * 现在我们来搜索具有空闲空间的桶描述符。
	 */
	cli();	/* 为了避免出现竞争条件，首先关中断 */
// 搜索对应桶目录项中描述符链表，查找具有空闲空间的桶描述符。如果桶描述符的空闲内存指针
// freeptr 不为空，则表示找到了相应的桶描述符。
	for (bdesc = bdir->chain; bdesc; bdesc = bdesc->next) 
		if (bdesc->freeptr)
			break;
	/*
	 * 如果没有找到具有空闲空间的桶描述符，那么我们就要新建立一个该目录项的描述符。
	 */
	if (!bdesc) {
		char		*cp;
		int		i;

// 若free_bucket_desc 还为空时，表示第一次调用该程序，则对描述符链表进行初始化。
// free_bucket_desc 指向第一个空闲桶描述符。
		if (!free_bucket_desc)	
			init_bucket_desc();
// 取free_bucket_desc 指向的空闲桶描述符，并让free_bucket_desc 指向下一个空闲桶描述符。
		bdesc = free_bucket_desc;
		free_bucket_desc = bdesc->next;
// 初始化该新的桶描述符。令其引用数量等于0；桶的大小等于对应桶目录的大小；申请一内存页面，
// 让描述符的页面指针page 指向该页面；空闲内存指针也指向该页开头，因为此时全为空闲。
		bdesc->refcnt = 0;
		bdesc->bucket_size = bdir->size;
		bdesc->page = bdesc->freeptr = (void *) cp = (void *)get_free_page();
// 如果申请内存页面操作失败，则显示出错信息，死机。
		if (!cp)
			panic("Out of memory in kernel malloc()");
		/* 在该页空闲内存中建立空闲对象链表 */
// 以该桶目录项指定的桶大小为对象长度，对该页内存进行划分，并使每个对象的开始4 字节设置
// 成指向下一对象的指针。
		for (i=PAGE_SIZE/bdir->size; i > 1; i--) {
			*((char **) cp) = cp + bdir->size;
			cp += bdir->size;
		}
// 最后一个对象开始处的指针设置为0(NULL)。
// 然后让该桶描述符的下一描述符指针字段指向对应桶目录项指针chain 所指的描述符，而桶目录的
// chain 指向该桶描述符，也即将该描述符插入到描述符链链头处。
		*((char **) cp) = 0;
		bdesc->next = bdir->chain; /* OK, link it in! */
		bdir->chain = bdesc;
	}
// 返回指针即等于该描述符对应页面的当前空闲指针。然后调整该空闲空间指针指向下一个空闲对象，
// 并使描述符中对应页面中对象引用计数增1。
	retval = (void *) bdesc->freeptr;
	bdesc->freeptr = *((void **) retval);
	bdesc->refcnt++;
// 最后开放中断，并返回指向空闲内存对象的指针。
	sti();	/* OK，现在我们又安全了 */
	return(retval);
}

/*
 * 下面是释放子程序。如果你知道释放对象的大小，则free_s()将使用该信息加速
 * 搜寻对应桶描述符的速度。
 * 
 * 我们将定义一个宏，使得"free(x)"成为"free_s(x, 0)"。
 */
//// 释放存储桶对象。
// 参数：obj - 对应对象指针；size - 大小。
void free_s(void *obj, int size)
{
	void		*page;
	struct _bucket_dir	*bdir;
	struct bucket_desc	*bdesc, *prev;

	/* 计算该对象所在的页面 */
	page = (void *)  ((unsigned long) obj & 0xfffff000);
	/* 现在搜索存储桶目录项所链接的桶描述符，寻找该页面 */
	for (bdir = bucket_dir; bdir->size; bdir++) {
		prev = 0;
		/* 如果参数size 是0，则下面条件肯定是false */
		if (bdir->size < size)
			continue;
// 搜索对应目录项中链接的所有描述符，查找对应页面。如果某描述符页面指针等于page 则表示找到
// 了相应的描述符，跳转到found。如果描述符不含有对应page，则让描述符指针prev 指向该描述符。
		for (bdesc = bdir->chain; bdesc; bdesc = bdesc->next) {
			if (bdesc->page == page) 
				goto found;
			prev = bdesc;
		}
	}
// 若搜索了对应目录项的所有描述符都没有找到指定的页面，则显示出错信息，死机。
	panic("Bad address passed to kernel free_s()");
found:
// 找到对应的桶描述符后，首先关中断。然后将该对象内存块链入空闲块对象链表中，
// 并使该描述符的对象引用计数减1。
	cli(); /* 为了避免竞争条件 */
	*((void **)obj) = bdesc->freeptr;
	bdesc->freeptr = obj;
	bdesc->refcnt--;
// 如果引用计数已等于0，则我们就可以释放对应的内存页面和该桶描述符。
	if (bdesc->refcnt == 0) {
		/*
		 * 我们需要确信prev 仍然是正确的，若某程序粗鲁地中断了我们
		 * 就有可能不是了。
		 */
// 如果prev 已经不是搜索到的描述符的前一个描述符，则重新搜索当前描述符的前一个描述符。
		if ((prev && (prev->next != bdesc)) ||
		    (!prev && (bdir->chain != bdesc)))
			for (prev = bdir->chain; prev; prev = prev->next)
				if (prev->next == bdesc)
					break;
// 如果找到该前一个描述符，则从描述符链中删除当前描述符。
		if (prev)
			prev->next = bdesc->next;
// 如果prev==NULL，则说明当前一个描述符是该目录项首个描述符，也即目录项中chain 应该直接
// 指向当前描述符bdesc，否则表示链表有问题，则显示出错信息，死机。因此，为了将当前描述符
// 从链表中删除，应该让chain 指向下一个描述符。
		else {
			if (bdir->chain != bdesc)
				panic("malloc bucket chains corrupted");
			bdir->chain = bdesc->next;
		}
// 释放当前描述符所操作的内存页面，并将该描述符插入空闲描述符链表开始处。
		free_page((unsigned long) bdesc->page);
		bdesc->next = free_bucket_desc;
		free_bucket_desc = bdesc;
	}
// 开中断，返回。
	sti();
	return;
}