【MIT 6.S081】Lab8: Locks

这个lab比起上个lab难度大了一些，需要熟练掌握锁的使用。
笔者用时约7h（我太菜啦

Memory allocator

第一部分相对比较简单，就是为每个CPU独立出一个内存分配器（管理内存的链表），减少锁的竞争，提高程序并行度。具体来说，一开始锁争用的根本原因就是内核只维护了一个内存空闲列表，由一个锁去保护，于是多个CPU争用该列表的频率很高。优化的基本思想是为每个CPU维护一个空闲列表，每个列表都有自己的锁，因为不同CPU在不同的列表中运行，所以它们的分配和释放可以并行运行。
当一个CPU的列表为空时，它必须夺取其他CPU列表中的空闲内存，虽然这会导致锁争用，但是频率并不高。
具体实现上，首先将kmem结构体定义为结构体数组，表示多个CPU的内存空闲列表，如下所示：

struct {
   
   
  struct spinlock lock;
  struct run *freelist;
} kmem[NCPU];

在kinit函数中初始化这些结构体中的锁：

void
kinit()
{
   
   
  int id;
  for (id = 0; id < NCPU; id ++ )
    initlock(&kmem[id].lock, "kmem");
  
  freerange(end, (void*)PHYSTOP);
}

然后在kalloc的时候，首先从CPU本身的内存空闲列表分配，如果该CPU的空闲列表已经空了，那么从其他CPU的空闲列表中抢一个过来即可，如下所示。其中，锁的添加依赖于CPUid。

void *
kalloc(void)
{
   
   
  struct run *r;
  int cpuid = getcpuid();
  int id;

  acquire(&kmem[cpuid].lock);
  r = kmem[cpuid].freelist;
  if(r)
    kmem[cpuid].freelist = r->next;
  release(&kmem[cpuid].lock);

  if(!r) {
   
   
    for (id = 0; id < NCPU; id ++ ) {
   
   
      if (id != cpuid) {
   
   
        acquire(&kmem[id].lock);
        r = kmem[id].freelist;
        if(r)
          kmem[id].freelist = r->next;
        release(&kmem[id].lock);
        if(r) break;
      }
    }
  }

  if(r)
    memset((char*)r, 5, PGSIZE); // fill with junk
  return (void*)r;
}

在kfree中，将内存结点回收到本CPU的空闲列表中即可，如下：

void
kfree(void *pa)
{
   
   
  struct run *r