메모리 할당

이 장에서는 간단한 메모리 할당기를 구현합니다.

링커 스크립트(Linker Script) 다시 살펴보기

메모리 할당기를 구현하기 전에, 어떤 메모리 영역을 할당할 것인지 링커 스크립트에서 정의해둡시다:

kernel.ld

    . = ALIGN(4);
    . += 128 * 1024; /* 128KB */
    __stack_top = .;

    . = ALIGN(4096);
    __free_ram = .;
    . += 64 * 1024 * 1024; /* 64MB */
    __free_ram_end = .;
}

여기서 새로 등장하는 심볼 __free_ram과 __free_ram_end는 스택 공간 다음에 위치하는 메모리 영역을 나타냅니다. 64MB라는 크기는 임의로 정한 값이고, . = ALIGN(4096)를 통해 이 영역을 4KB(페이지 크기) 경계로 맞추도록 했습니다.

하드코딩된 주소 대신 링커 스크립트에서 정의함으로써, 커널의 정적 데이터와 겹치지 않도록 링커가 위치를 자동으로 조정할 수 있습니다.

TIP

실제 x86-64 운영체제들은 부팅 시 하드웨어(UEFI 등)를 통해 메모리 맵 정보(GetMemoryMap)를 받아서 사용 가능한 메모리 영역을 동적으로 파악하는 방식을 사용합니다.

세상에서 가장 간단한 메모리 할당 알고리즘

메모리를 동적으로 할당하는 함수를 구현해봅시다. 여기서는 C의 malloc처럼 “바이트 단위”로 할당하는 대신, 더 큰 단위인 “페이지(page)” 단위로 할당합니다. 일반적으로 한 페이지는 4KB(4096바이트)입니다.

TIP

4KB는 4096이며, 16진수로는 0x1000입니다. 페이지 경계로 맞춰진 주소를 16진수로 보면 깔쌈하게 떨어지는 것을 확인할 수 있습니다.

다음 alloc_pages 함수는 n개의 페이지를 할당한 뒤, 그 시작 주소를 반환합니다:

kernel.c

extern char __free_ram[], __free_ram_end[];

paddr_t alloc_pages(uint32_t n) {
    static paddr_t next_paddr = (paddr_t) __free_ram;
    paddr_t paddr = next_paddr;
    next_paddr += n * PAGE_SIZE;

    if (next_paddr > (paddr_t) __free_ram_end)
        PANIC("out of memory");

    memset((void *) paddr, 0, n * PAGE_SIZE);
    return paddr;
}

여기서 PAGE_SIZE는 페이지 하나의 크기를 의미하며, common.h에 다음과 같이 정의해줍니다:

common.h

#define PAGE_SIZE 4096

주요 포인트

next_paddr은 static 변수로 선언되었기 때문에, 로컬 변수와 달리 함수 호출이 끝나도 값을 계속 유지합니다(글로벌 변수처럼 동작).
next_paddr는 “새로 할당할 메모리 영역의 시작 주소”를 가리키고, 할당이 이루어지면 그만큼 주소를 증가시켜 다음 할당을 준비합니다.
next_paddr의 초깃값은 __free_ram 주소입니다. 즉, 메모리는 __free_ram 이후부터 순차적으로 할당됩니다.
링커 스크립트에서 ALIGN(4096)로 맞춰주었으므로, alloc_pages는 항상 4KB 정렬된 주소를 반환합니다.
만약 __free_ram_end를 넘어가서 더 이상 할당할 메모리가 없다면, 커널 패닉을 일으킵니다.
memset을 통해 할당된 메모리 영역을 0으로 초기화합니다. 미초기화된 메모리에서 생기는 디버깅 어려움을 예방하기 위함입니다.

간단하지 않나요? 이 알고리즘은 아주 단순하지만, 반환(메모리 해제) 이 불가능하다는 문제가 있습니다. 그래도 우리의 취미용 OS에는 이 정도면 충분합니다.

TIP

이렇게 단순한 할당 방식을 흔히 Bump Allocator 또는 Linear Allocator라고 부르며, 해제가 필요 없는 상황에서 실제로도 쓰이는 유용한 알고리즘입니다. 구현이 매우 간단하고 빠릅니다.

메모리를 해제하는 기능까지 구현하려면, 비트맵(bitmap) 방식이나 버디 시스템(buddy system) 같은 좀 더 복잡한 알고리즘을 사용합니다.