Unix V6++ 离散化内存管理实现

同济大学 2024-2025 学年春季学期 操作系统课设（dr 老师）

本项目基于 Unix V6++ 教学操作系统（同济大学内部使用），完成了从连续存储管理向 页式离散化存储管理 的全面迁移。通过重构内存管理、页表机制和进程资源生命周期，支持现代操作系统所采用的页框级物理内存分配方式，并引入了 Copy-On-Write（COW）机制以优化 fork 系统调用性能。

✨ 项目亮点

1. 离散物理内存管理（Page-based）

   • 使用 位示图（bitmap） 替代传统的空闲分区表 MapNode 实现页框级内存管理；
   • 支持最大 0x2000（8192）个页框，位图结构固定占用 0x400 字节；
   • 重构 PageManager 类，彻底移除对 Allocator 的依赖，实现真正的页式管理。

2. 精简高效的二级页表机制

   • 移除“相对虚实地址映射表”，直接使用页目录 + 用户页表实现地址转换；
   • 每个进程持有一份私有的 1# 用户页表，其他页表均可共享；
   • 通过切换页目录中 1# PDE 的 BaseAddr 实现进程切换的页表更新，简化 Swtch() 流程；
   • 进程创建时即初始化用户页表，避免 fork -> exec 路径中的 Page Fault。

3. 进程资源全生命周期离散化支持

   • 精细化控制进程图像：保留 PPDA 区、释放旧图像内存、重建用户页表；
   • Exec、Exit、Expand 等函数均重构以支持页框级的内存释放与重新分配；
   • SStack() 与 SBreak() 分别支持堆栈区按页动态增长。

4. Copy-On-Write（COW）机制实现

   • 为页框添加引用计数机制，仅在写时触发复制；
   • fork 调用中父子进程共享物理页框，避免无效复制；
   • 在写操作触发 Page Fault 时分配新页框并重新建立映射；
   • 提升性能同时降低内存开销，支持对大型进程的高效复制。

🛠️ 技术细节概览

模块	描述
Bitmap.h	定义位图结构，用于跟踪页框分配状态
PageManager.cpp	重写 AllocMemory 和 FreeMemory，采用页式算法
MemoryDescriptor.cpp	每个进程维护独立的 1# 用户页表，负责建立页表映射
ProcessManager.cpp	精简 Swtch 与 NewProc，支持离散页表管理与 COW 建立
Exception.cpp	在 Page Fault 中处理写操作触发的 COW 逻辑

目录说明

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├── README.md
├── docs    # 相关文档
├── note    # 相关笔记
└── oos     # Unix V6++ 相关文件
    └── src # 源代码

补充

在 note/ 下有相关的设计文档可供参考。

oos/ 下只放置了修改过的文件，保留了原始路径，如有遗漏可查看设计文档自行补充。

注意：该学期为 dr 老师第一次独立开班，因此不保证后面学期会沿用该作业，自行甄别。

设计文档中的所有思考只代表我当时的看法，本人保留自省的权利