Introduce "kernel" and "user" pools as a band-aid for user memory
authorBen Pfaff <blp@cs.stanford.edu>
Mon, 13 Sep 2004 01:23:24 +0000 (01:23 +0000)
committerBen Pfaff <blp@cs.stanford.edu>
Mon, 13 Sep 2004 01:23:24 +0000 (01:23 +0000)
pressure on kernel.

src/threads/palloc.c
src/threads/palloc.h

index 29cb54fa1b864ffce0792c29661ec3d01274da38..372e528c319954d5271c3605a28d9779984578b9 100644 (file)
@@ -3,6 +3,7 @@
 #include <list.h>
 #include <stddef.h>
 #include <stdint.h>
+#include <stdio.h>
 #include <string.h>
 #include "threads/init.h"
 #include "threads/loader.h"
    See malloc.h for an allocator that hands out smaller
    chunks.
 
-   We simply use a linked list of free pages.  It would be
-   straightforward to add all available memory to this free list
-   at initialization time.  In practice, though, that's really
-   slow because it causes the emulator we're running under to
-   have to fault in every page of memory.  So instead we only add
-   pages to the free list as needed. */
+   System memory is divided into two "pools" called the kernel
+   and user pools.  The user pool is for user (virtual) memory
+   pages, the kernel pool for everything else.  The idea here is
+   that the kernel needs to have memory for its own operations
+   even if user processes are swapping like mad.
+
+   By default, half of system RAM is given to the kernel pool and
+   half to the user pool.  That should be huge overkill for the
+   kernel pool, but that's just fine for demonstration purposes.
+
+   Within each pool, we simply use a linked list of free pages.
+   It would be straightforward to add all available memory to
+   this free list at initialization time.  In practice, though,
+   that's really slow because it causes the emulator we're
+   running under to have to fault in every page of memory.  So
+   instead we only add pages to the free list as needed. */
 
 /* A free page owned by the page allocator. */
 struct page
   {
-    list_elem free_elem;        /* Free list element. */
+    list_elem elem;             /* Free list element. */
   };
 
-/* Keeps multiple threads away from free_pages and
-   uninit_start. */
-static struct lock lock;
+/* A memory pool. */
+struct pool
+  {
+    struct lock lock;                   /* Mutual exclusion. */
+    uint8_t *start, *end;               /* Start and end of pool. */
+    uint8_t *uninit;                    /* First page not yet in free_list. */
+    struct list free_list;              /* Free pages. */
+  };
 
-/* List of free pages. */
-static struct list free_pages;
+/* Two pools: one for kernel data, one for user pages. */
+struct pool kernel_pool, user_pool;
 
-/* Range of pages (expressed as byte pointers to the beginnings
-   of pages) that we haven't added to the free list yet. */
-static uint8_t *uninit_start, *uninit_end;
+static void init_pool (struct pool *, void *start, void *end,
+                       const char *name);
+static bool page_from_pool (const struct pool *, void *page);
 
 /* Initializes the page allocator. */
 void
 palloc_init (void) 
 {
-  extern char _start, _end;
-
-  /* Kernel static code and data, in 4 kB pages.
-     We can figure this out because the linker records the start
-     and end of the kernel as _start and _end.  See
-     kernel.lds.S. */
-  size_t kernel_pages = (&_end - &_start + 4095) / 4096;
-
-  /* Then we know how much is available to allocate. */
-  uninit_start = ptov (LOADER_KERN_BASE + kernel_pages * PGSIZE);
-  uninit_end = ptov (ram_pages * PGSIZE);
-
-  /* Initialize other variables. */
-  lock_init (&lock, "palloc");
-  list_init (&free_pages);
+  /* End of the kernel as recorded by the linker.
+     See kernel.lds.S. */
+  extern char _end;
+
+  /* Free memory. */
+  uint8_t *free_start = pg_round_up (&_end);
+  uint8_t *free_end = ptov (ram_pages * PGSIZE);
+  size_t free_pages = (free_end - free_start) / PGSIZE;
+  uint8_t *free_middle = free_start + free_pages / 2 * PGSIZE;
+
+  /* Give half of memory to kernel, half to user. */
+  init_pool (&kernel_pool, free_start, free_middle, "kernel pool");
+  init_pool (&user_pool, free_middle, free_end, "user pool");
 }
 
 /* Obtains and returns a free page.  If PAL_ZERO is set in FLAGS,
@@ -65,20 +79,21 @@ palloc_init (void)
 void *
 palloc_get (enum palloc_flags flags)
 {
+  struct pool *pool = flags & PAL_USER ? &user_pool : &kernel_pool;
   struct page *page;
 
-  lock_acquire (&lock);
+  lock_acquire (&pool->lock);
 
   /* If there's a page in the free list, take it.
      Otherwise, if there's a page not yet added to the free list,
      use it.
      Otherwise, we're out of memory. */
-  if (!list_empty (&free_pages))
-    page = list_entry (list_pop_front (&free_pages), struct page, free_elem);
-  else if (uninit_start < uninit_end) 
+  if (!list_empty (&pool->free_list))
+    page = list_entry (list_pop_front (&pool->free_list), struct page, elem);
+  else if (pool->uninit < pool->end)
     {
-      page = (struct page *) uninit_start;
-      uninit_start += PGSIZE;
+      page = (struct page *) pool->uninit;
+      pool->uninit += PGSIZE;
     }
   else
     page = NULL;
@@ -94,7 +109,7 @@ palloc_get (enum palloc_flags flags)
         PANIC ("palloc_get: out of pages");
     }
 
-  lock_release (&lock);
+  lock_release (&pool->lock);
   
   return page;
 }
@@ -103,14 +118,49 @@ palloc_get (enum palloc_flags flags)
 void
 palloc_free (void *page_) 
 {
+  struct pool *pool;
   struct page *page = page_;
 
   ASSERT (page == pg_round_down (page));
+  if (page_from_pool (&kernel_pool, page))
+    pool = &kernel_pool;
+  else if (page_from_pool (&user_pool, page))
+    pool = &user_pool;
+  else
+    PANIC ("freeing invalid pointer");
+
 #ifndef NDEBUG
   memset (page, 0xcc, PGSIZE);
 #endif
 
-  lock_acquire (&lock);
-  list_push_front (&free_pages, &page->free_elem);
-  lock_release (&lock);
+  lock_acquire (&pool->lock);
+  list_push_front (&pool->free_list, &page->elem);
+  lock_release (&pool->lock);
+}
+
+/* Initializes pool P as starting at START and ending at END,
+   naming it NAME for debugging purposes. */
+static void
+init_pool (struct pool *p, void *start, void *end, const char *name) 
+{
+  ASSERT (pg_ofs (start) == 0);
+  ASSERT (pg_ofs (end) == 0);
+
+  printf ("%d kB allocated for %s.\n",
+          (PGSIZE / 1024) * (pg_no (end) - pg_no (start)), name);
+
+  lock_init (&p->lock, name);
+  p->start = p->uninit = start;
+  p->end = end;
+  list_init (&p->free_list);
+}
+
+/* Returns true if PAGE was allocated from POOL,
+   false otherwise. */
+static bool
+page_from_pool (const struct pool *pool, void *page_) 
+{
+  uint8_t *page = page_;
+
+  return page >= pool->start && page < pool->uninit;
 }
index ca7824e58c7c9282eda82f14b5b6a0cae6507561..38a401cb10b4971de6a59f5e5617ab480ba14270 100644 (file)
@@ -6,7 +6,8 @@
 enum palloc_flags
   {
     PAL_ASSERT = 001,           /* Panic on failure. */
-    PAL_ZERO = 002              /* Zero page contents. */
+    PAL_ZERO = 002,             /* Zero page contents. */
+    PAL_USER = 004              /* User page. */
   };
 
 void palloc_init (void);