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RESERVE_BRK 内存分配器原理
RESERVE_BRK 内存分配器称为动态堆内存分配器，其在 i386/x86-64 架构 boot-time 阶段分配物理内存，由于该阶段其他内存分配器都没有初始化，内核要么使用静态编译时 “.bss” 或 “.data” 的静态物理内存，要么使用 RESERVE_BRK 分配器动态的从堆中分配物理内存，因此 RESERVE_BRK 分配器是内核运行时最早的物理内存分配器。
RESERVE_BRK 内存分配器的实现逻辑很简单，正如上图，内核使用 __brk_base 和 __brk_limit 描述系统堆的内存空间，RESERVE_BRK 内存分配器则使用 _brk_start 和 _brk_end 描述其分配的物理内存空间。当 RESERVE_BRK 分配器需要分配内存的时候，其将 _brk_end 向高地址移动指定长度，此时 _brk_start 到 _brk_end 的区域转换为 RESERVE_BRK 分配器分配出去的物理内存，而系统堆则缩小到 _brk_end 到 __brk_limit，那么系统堆只能使用从 _brk_end 开始的地方，所以 RESERVE_BRK 分配器称为动态堆分配器。
RESERVE_BRK 分配器的初始化或者构建比较简单，其使用 “RESERVE_BRK()” 函数进行完成定义，使用如下:
RESERVE_BRK(name, size);name 表示 RESERVE_BRK 分配器导出的分配接口，size 参数则表示该分配接口可分配物理内存的大小。当在内核中调用 RESERVE_BRK() 函数之后，内核会动态的插入一个名为 “.brk_reservation” 的 Section，该 Section 内部填充了 size 参数长度的数据，并且在内核链接阶段，内核将所有的 “.brk_reservation” Section 全部放到了系统 “.brk” Section 内，如下:
arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S
. = ALIGN(PAGE_SIZE);
.brk : AT(ADDR(.brk) - LOAD_OFFSET) {
__brk_base = .;
. += 64 * 1024; /* 64k alignment slop space */
*(.brk_reservation) /* areas brk users have reserved */
__brk_limit = .;
}因此可以推出当调用 RESERVE_BRK() 函数的时候，内核已经在堆中提前预留指定长度的内存，这样在系统运行时可以直接动态调整堆的范围，但 RESERVE_BRK 分配器不能超过自己预留区域，否则会带来未知的后果。
当 RESERVE_BRK 分配器在堆中预留好内存区域之后，接下来就是从 RESERVE_BRK 分配器中分配物理内存了，分配的核心就是动态调整 _brk_end 的值，是系统原始堆收缩来实现分配，具体分配过程请查看:
RESERVE_BRK 分配器只存在与内核初始化的 boot-time 阶段，在这个阶段可以自由使用 RESERVE_BRK 分配器，当内核初始化到一定阶段之后，其他内存分配器初始化完毕可以使用之后，RESERVE_BRK 分配器将其分配的物理内存在系统中预留的方式结束其生命，具体可以查看:
RESERVE_BRK 内存分配器使用
RESERVE_BRK 内存分配器的使用很简单，首先从堆中划分一段内存进行分配，然后直接使用这段内存，但 RESERVE_BRK 分配器不回收这段内存，而是将其在系统里一直预留。开发者可以参考如下代码进行使用，使用时请注意不要超过 RESERVE_BRK 分配器的声明周期，RESERVE_BRK 分配器生命周期请参考如下文章:
#include <asm/setup.h>
RESERVE_BRK(BiscuitOS_BRK, PAGE_SIZE);
void * __init BiscuitOS_alloc(unsigned len)
{
return extend_brk(len, sizeof(int));
}正如上面的代码，定义了一个基于 RESERVE_BRK 分配器定义了一个内存分配接口 “BiscuitOS_alloc()”。对 RESERVE_BRK 分配器的使用首先使用 “RESERVE_BRK()” 函数定义一个分配接口，以及这个分配接口占用 RESERVE_BRK 分配区域的大小，其次通过调用 extend_brk() 函数实现实际的分配操作。RESERVE_BRK 分配器通过维护 _brk_start 和 _brk_end 来表示其管理的内存区域，而堆则使用 _brk_end 和 __brk_limit 维护堆的大小，如下图:
当 RESERVE_BRK 分配器需要分配内存的时候，extend_brk 就会修改 _brk_end 的值，使其指向更高的地址，换句话来说就是缩小堆的范围来实现 RESERVE_BRK 分配器的内存分配。定义完毕分配接口之后，只要在 RESERVE_BRK 分配器的生命周期之内，都可以按如下代码进行使用:
extern void * __init BiscuitOS_alloc(unsigned len);
void __init BiscuitOS_demo(void)
{
char *buffer;
buffer = BiscuitOS_alloc(0x20);
sprintf(buffer, "BiscuitOS");
printk("=> %s [%#lx]\n", buffer, __pa(buffer));
}以上代码就是简单的通过 RESERVE_BRK 分配器进行内存分配，具体实践过程请参考:
RESERVE_BRK 内存分配器实践
实践准备
RESERVE_BRK 内存分配器实践目前支持 x86_64 和 i386 架构，开发者可以自行选择，本文以 i386 架构进行讲解，并推荐使用该架构来实践 RESERVE_BRK 分配器。首先开发者基于 BiscuitOS 搭建一个 i386 架构的开发环境，请开发者参考如下文档，如果想要以 x86-64 架构进行搭建，搭建过程类似，开发者参考搭建:
实践部署
在部署完毕开发环境之后, 开发者可以在汇编代码阶段使用 RESERVE_BRK 分配器，也可以在 C 代码中使用 RESERVE_BRK 分配器，但要确保在 RESERVE_BRK 分配器寿命终结之前使用，其声明周期可以查看:
RESERVE_BRK 分配器的实践与其他分配器实践不太相同，开发者可以参考本节的建议去实践 ，首先在 “init/main.c” 函数的合适位置添加如下代码:
#include <asm/setup.h>
RESERVE_BRK(BiscuitOS_BRK, PAGE_SIZE);
static void * __init BiscuitOS_alloc(unsigned len)
{
return extend_brk(len, sizeof(int));
}定义完上面的函数之后，接着在 “init/main.c” 文件的 start_kernel() 函数里，”setup_arch()” 函数的前一行插入如下代码:
asmlinkage __visible void __init start_kernel(void)
{
...
pr_notice("%s", linux_banner);
{
char *buffer;
buffer = BiscuitOS_alloc(0x20);
sprintf(buffer, "BiscuitOS");
printk("=> %s [%#lx]\n", buffer, __pa(buffer));
}
setup_arch(&command_line);
...
}至此，源码部署完毕，开发者可以参考上面的代码进行部署，只要 RESERVE_BRK 分配器周>期范围内都可以使用上面的代码. 接下来在 BiscuitOS 上查看运行效果.
实践执行
部署完毕之后，接下来重新编译内核并运行 BiscuitOS:
由于 RESERVE_BRK 内存分配器位于内核初始化早期，调试手段有限，只能通过 dmesg 查看相应的信息，从图中可以看出可以正常使用 RESERVE_BRK 分配器分配的内容.
RESERVE_BRK 内存分配器源码解析
RESERVE_BRK 架构流程
RESERVE_BRK 分配器重要数据
RESERVE_BRK 分配器 API
RESERVE_BRK X86 架构流程
RESERVE_BRK 内存分配器存在于 X86/X64 架构中，其生命周期如上图。在内核源码中，通过调用 RESERVE_BRK() 函数会自动插入一个指定的 section 到系统的 .brk section 内，并在编译链接的时候为其分配内存，这些内存就构成了 RESERVE_BRK 分配器管理的内存。内核镜像加载到 RAM 上运行的时候，RESERVE_BRK 分配器使用的内存与堆重叠，并且 _brk_start 与 _brk_end 在初始化的时候都是指向堆的基地址 __brk_base. 但系统运行过程中，内核某个功能模块调用 RESERVE_BRK 分配器分配内存，那么 _brk_end 的值就动态变大，但不能超过 __brk_limit, 而 _brk_start 则保持不变，这样 _brk_start 到 _brk_end 的区域就形成了 RESERVE_BRK 分配器分配并管理的内存区域。内核继续初始化，但内核初始化到 reserve_brk() 函数之后，内核将 _brk_start 到 _brk_end 的区域一直预留到系统关闭，函数介绍后 RESERVE_BRK 分配器不能在使用，因此完成使命终结.
reserve_brk
reserve_brk() 函数的作用是在内核初始化到一定阶段，将 RESERVE_BRK 分配器管理的内存区域进行预留. 函数如果检测到 _brk_end 大于 _brk_start, 那么表示 RESERVE_BRK 分配器为系统分配过内存，且这段内存需要在系统中一直预留，因此函数调用 memblock_reserve() 函数进行预留。预留完毕之后函数将 _brk_start 设置为 0，表示 RESERVE_BRK 分配器不再分配内存。
extend_brk
extend_brk() 函数的作用是动态调整堆的范围，以此从堆中分配物理内存。参数 size 表示缩减堆的长度，align 参数表示对齐方式。
正如上图，堆的生长是从低地址到高地址，且内核使用 _brk_end 动态表示堆栈的基地址。如果 RESERVE_BRK 分配器需要从堆中分配内存，那么内核将 _brk_end 往高地址移动，那么 _brk_start 与 _brk_end 之间的区域形成了 RESERVE_BRK 分配器管理的分配的区域。函数在 257 行检测 _brk_start 是否为 0，_brk_start 为 0 表示 RESERVE_BRK 分配器已经不能使用。接着函数在 258 行检测 align 是否越界. 函数在 260 行先跳转 _brk_end 的值，使其对齐，接着检测 _brk_end 加上 size 之后是否已经超出 __brk_limit, 即堆最大地址. 如果没有，那么函数在 263 - 264 行将当前 _brk_end 的地址存储在 ret 中，并将 _brk_end 的值增加 size，指向新的堆基地址。最后函数将 ret 开始的区域清零并返回。以上便完整了以此 RESERVE_BRK 的物理内存分配。
BRK SECTION
内核在链接阶段，将所有的 .brk_reservation Section 全部放到 .brk Section 内，并且使用 __brk_base 指向该 Section 的起始地址，__brk_limit 指向该 Section 的终止地址，可以在链接脚本中获得相关定义:
arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S
. = ALIGN(PAGE_SIZE);
.brk : AT(ADDR(.brk) - LOAD_OFFSET) {
__brk_base = .;
. += 64 * 1024; /* 64k alignment slop space */
*(.brk_reservation) /* areas brk users have reserved */
__brk_limit = .;
}其次，在支持 RESERVE_BRK 内存分配器的情况下，内核会使用两个地址表示 RESERVE_BRK 内存分配器管理的物理内存空间，其范围是 “_brk_start, _brk_end”, 这段物理内存区域就是专门用于为 RESERVE_BRK 内存分配器用于分配的空间，但值得注意的是，每当 RESERVE_BRK 分配一段内存之后，_brk_end 的值就会增大，为了确保内核堆的正常使用，因此内核将 _brk_end 作为堆的起始地址.
因此从上面的讨论可以知道 __brk_base 和 __brk_limit 都是在链接时候定义好的，而 _brk_end 是可以动态改变的，因此这些是动态堆栈实现的9基础.
RESERVE_BRK_ARRAY
RESERVE_BRK_ARRAY() 函数类似于 KMEM_CACHE 分配方式，一次性为某个数据结构分配多个对象的空间。参数 type 指明数据结构的类型，参数 name 是 Section 名字的一部分，参数 entries 指明对象的数量.
RESERVE_BRK_ARRAY() 函数基于 RESERVE_BRK() 函数构建，其长度通过 sizeof(type) 和 entries 相乘的值确定，以此计算 Section 的长度.
RESERVE_BRK
RESERVE_BRK() 函数用于向系统插入一个指定长度的 “.brk_reservation” section，并在内核编译链接的生成 vmlinux 的时候将该 section 插入到 .brk section 内。参数 name 是 section 名字的一部分, 参数 sz 表示 section 的长度。
第一种定义基于 __ASSEMBLY__ 宏没有定义，在这种情况下处于非汇编模式，函数在 108 - 109 行定义了一个名为 __brk_reservation_fn_xx__() 函数，函数名字 xx 部分就是参数 name，因此调用 RESERVE_BRK() 时，name 参数一定要是唯一的。函数内部实现中，在 111 行，函数调用 “.pushsection” 命令动态插入一个 “.brk_reservation” section，该 section 具有可读写属性，接着函数在 112 行定义了一个名为 “.brk.xx” 的 lab，xx 为 name 参数。函数通过 113 - 114 行定义了该 section 的长度为 sz。最后函数在 115 行调用 “.popsection” 完成该 section 的创建。创建完毕之后，内核会在 vmlinux 链接时将这个 section 插入到 “.brk” Section 内，并在内核启动时候分配指定长度的物理内存给 “.brk” section.
第二种定义基于 __ASSEMBLY__ 宏已经定义，在这种情况下处于汇编模式。函数在 137 行直接调用 “.pushsection” 指令插入一个 “.brk_reservation” 的可读可写 Section。并在 138 行新增一个 lable “.brk.name”，并通过 139 - 140 行定义了 Section 的长度，最后在 141 行调用 .popsection 指令结束该 Section 的定义.
附录
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