XV6 main函数中的页表代码详解

#if和#ifndef用法

借鉴：

C语言#if、##ifdef、#ifndef的用法详解，C语言条件编译详解 (biancheng.net)

在xv6的kernel/main.c中出现了这种用法，在其他多个.c文件里也出现了

为何要用这种用法：

假如现在要开发一个C语言程序，让它输出红色的文字，并且要求跨平台，在 Windows 和 Linux 下都能运行，怎么办呢？

这个程序的难点在于，不同平台下控制文字颜色的代码不一样，我们必须要能够识别出不同的平台。

Windows 有专有的宏_WIN32，Linux 有专有的宏__linux__，以现有的知识，我们很容易就想到了 if else，请看下面的代码：

#include <stdio.h>
int main(){
    if(_WIN32){
        system("color 0c");
        printf("http://c.biancheng.net\n");
    }else if(__linux__){
        printf("\033[22;31mhttp://c.biancheng.net\n\033[22;30m");
    }else{
        printf("http://c.biancheng.net\n");
    }
    return 0;
}

但这段代码是错误的，在 Windows 下提示 linux 是未定义的标识符，在 Linux 下提示 _Win32 是未定义的标识符。对上面的代码进行改进：

#include <stdio.h>
int main(){
    #if _WIN32
        system("color 0c");
        printf("http://c.biancheng.net\n");
    #elif __linux__
        printf("\033[22;31mhttp://c.biancheng.net\n\033[22;30m");
    #else
        printf("http://c.biancheng.net\n");
    #endif
    return 0;
}

这种能够根据不同情况编译不同代码、产生不同目标文件的机制，称为条件编译。条件编译是预处理程序的功能，不是编译器的功能。

#if 用法的一般格式为：它的意思是：如常“表达式1”的值为真（非0），就对“程序段1”进行编译，否则就计算“表达式2”，结果为真的话就对“程序段2”进行编译，为假的话就继续往下匹配，直到遇到值为真的表达式，或者遇到 #else。这一点和 if else 非常类似。

#ifdef 用法的一般格式为：如果当前的宏已被定义过，则对“程序段1”进行编译，否则对“程序段2”进行编译。

#ifndef 用法的一般格式为：与 #ifdef 相比，仅仅是将 #ifdef 改为了 #ifndef。它的意思是，如果当前的宏未被定义，则对“程序段1”进行编译，否则对“程序段2”进行编译，这与 #ifdef 的功能正好相反。

最后需要注意的是，#if 后面跟的是“整型常量表达式”，而 #ifdef 和 #ifndef 后面跟的只能是一个宏名，不能是其他的。

宝图

一直用到这个图，所以取名宝图。

初始化freelist代码

这里的内容都看宝图中的右图。

首先在kernel/kernel开启debug，在main.c的kinit()处打断点：

step into kinit()，进入kalloc.c：

跳过initlock()（看代码应该就是初始化锁的功能，和页表没啥关系），step into第二个函数，还是在kalloc.c中：

PGROUNDUP() ：

这个函数的功能是向上对齐页大小，xv6中一页是4kb，也就是0x1000。假设现在pa_start是0x1020，为了保证每一页都是同等大小，就需要对齐。而这个函数就是用来这样做的，PGROUNDUP(pa_start) 会对齐为 0x2000。

pa_start && pa_end :

接着我们看一下freerange的参数。首先我们应该知道freerange这个函数的功能是把当前所有物理界面给分成一页一页，加入到 freelist中。

pa_start在kinit()中传入的是end，可以看到end的定义是： extern外部定义，在kernel.ld中定义。

转到kernel.ld查看：可以看到这里巴拉巴拉处理了一堆东西，存了又存。可以看宝图的0x80000000后面的kernel text部分。

所以，通过上面的kernel.ld我们可以看到，pa_start（也就是end)应该是大于0x80000000的，这也跟宝图对应上。我们查看gdb的pa_start地址，可以看到为：pa_start:0x80027020 。 也就是初始化上面那些东西用了27页多

然后再回到freerange的代码： 因为pa_start大小不一定是整数页，所以需要对齐，通过gdb我们可以看到 p = 0x80028000。进入for循环，再通过gdb可以看到 pa_end = 0x88000000。其实这个pa_end就是宝图的PHYSTOP（虽然比他小，但就是这个），这也说明了xv6其实只有128m的内存可以使用。

for循环就是从 p 开始，每次增长一页，一直到PHYSTOP-PAGESIZE（也就是宝图的freememory底部到顶部）。

然后转到kfree()查看：

这就是整个初始化freelist的代码，结束完for的时候，我们的physical page就分配结束了。此时freelist的首页就是0x87fff000。

kvminit()函数

结束完kinit()就进入了kvminit()函数：

kvminit()，这个函数会设置好kernel的地址空间。kvminit的代码(在kernel/vm.c中)：

kvmmap设置了虚拟地址va到物理地址pa的等价映射，看宝图的KernelBase以下部分

然后我们看kalloc()：

打一下kalloc()的地址可以发现他是在0x80000b20，因为我们刚刚在kernel.ld中把 0x8000000到0x80027020的地址给用了，所以kalloc（）也已经被加载了。

通过解读freelist那里我们已经知道，kmem的freelist里面存着所有空闲的物理地址，且都是一页一页的。所以kalloc要做的事就是检查是否还有内存，如果 r ！=NULL说明还有页数，就可以把第一页分配给它。

通过gdb我们可以看到 kernel_pagetable的地址是0x87fff000，也就是freelist的第一页。

然后再看一下kvmmap()：

mappages()的功能就是把va映射到pa，添加到页表中，还有赋予权限之类的:

配合这个图会好理解很多，就是返回下图的第三级页表对应的pte。alloc=1代表如果不存在对应的page directory就分配一页给它。

kvminithart()函数

回到main，结束完kvminit()之后，就来到了kvminithart()函数：

首先就是w_satp()，这个函数使用了c语言的内嵌汇编，将kernel_pagetable的地址写入了satp寄存器，然后通过sfence_vma() flush TLB。每次更新satp寄存器都应该出现刷新TLB，这样才不会读到旧数据导致出错。

procinit()函数

进入procinit()：通过注释可以看到这个函数的功能应该是：在启动时初始化进程表。理解procinit()的功能对lab3也有帮助。

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