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03 内存管理

目标

从 boot memory map 建立 kernel 自己的内存模型，提供物理页、虚拟地址和内核堆能力。

前置条件

• 异常处理可用，尤其是 page fault 路径。
• early log 和 panic 可用。

建议边界

• mm/：架构无关内存管理。
• arch/x86/mm/：页表格式、地址空间切换、TLB 操作。
• include/tianole/：通用内存接口。

实现内容

• 解析 boot memory map。
• 归一化可用/保留/固件/内核占用区域。
• 建立物理页分配器。
• 建立内核虚拟地址布局。
• 建立页表 map/unmap 接口。
• 建立最小内核堆。
• 为后续匿名页、缺页加载、COW、mmap、page cache、换页预留接口。

非玩具化约束

• 不写死物理内存大小。
• 不把 UEFI memory type 作为长期内核内存类型。
• allocator 接口要允许后续替换为 buddy/slab。
• 小对象分配要允许后续演进到 slab/slub 或等价缓存分配器。
• 地址空间布局要文档化。
• 用户地址空间和内核地址空间的边界不能依赖调用方自觉遵守。
• 不能把 page cache 和匿名页排除在长期模型之外。

验收方式

• 能分配和释放多个物理页。
• 能建立和删除虚拟映射。
• page fault 能输出有效诊断。
• 内核堆能分配小对象。
• 后续能在此基础上加入 COW、mmap、换页和内存回收。

当前状态

基础完成：

• 已从 boot memory map 扫描 conventional memory。
• 已排除 kernel image、boot_info 和 boot memory map 占用页。
• 已建立最小物理页 free-list allocator。
• 已提供 alloc_page() 和 free_page()。
• 已加入物理页分配/释放 selftest。
• 已切换到内核自有 PML4，不再直接修改固件页表。
• 已提供最小 map_page()、unmap_page() 和 virt_to_phys() 接口。
• 已加入页表 map/unmap/query selftest。
• 已拆出 x86 page fault 诊断路径，能输出 fault address、错误码、访问类型和权限来源。
• scripts/check.sh 已验证 physical pages free=、物理页 selftest、页表根切换、页表 selftest 和 page fault 日志。

后续扩展：

• 长期内存区域模型，不直接依赖 UEFI memory type。
• page metadata。
• buddy allocator。
• 最小内核堆。
• slab/slub 或等价小对象缓存。

验收依据：

• 正常启动日志包含 physical pages free=。
• 正常启动日志包含 physical page allocator selftest ok。
• 正常启动日志包含 kernel page table root active。
• 正常启动日志包含 page table selftest ok。
• page fault 测试日志包含 page fault: address= 和 access=write mode=kernel reason=not-present。

下一阶段：

• 继续在 03-memory.md 内推进最小内核堆。