#include "memory.h"
#include "bitmap.h"
#include "stdint.h"
#include "global.h"
#include "debug.h"
#include "print.h"
#include "string.h"
#include "sync.h"
#include "interrupt.h"

/***************  位图地址 ********************
 * 因为0xc009f000是内核主线程栈顶，0xc009e000是内核主线程的pcb.
 * 一个页框大小的位图可表示128M内存, 位图位置安排在地址0xc009a000,
 * 这样本系统最大支持4个页框的位图,即512M内存 */
#define MEM_BITMAP_BASE 0xc009a000
/*************************************/

#define PDE_IDX(addr) ((addr & 0xffc00000) >> 22)
#define PTE_IDX(addr) ((addr & 0x003ff000) >> 12)

/* 0xc0000000是内核从虚拟地址3G起. 0x100000意指跨过低端1M内存,使虚拟地址在逻辑上连续 */
#define K_HEAP_START 0xc0100000

/* 内存池结构,生成两个实例用于管理内核内存池和用户内存池 */
struct pool {
   struct bitmap pool_bitmap;	 // 本内存池用到的位图结构,用于管理物理内存
   uint32_t phy_addr_start;	 // 本内存池所管理物理内存的起始地址
   uint32_t pool_size;		 // 本内存池字节容量
   struct lock lock;		 // 申请内存时互斥
};

/* 内存仓库arena元信息 */
struct arena {
   struct mem_block_desc* desc;	 // 此arena关联的mem_block_desc
/* large为ture时,cnt表示的是页框数。
 * 否则cnt表示空闲mem_block数量 */
   uint32_t cnt;
   bool large;		   
};

struct mem_block_desc k_block_descs[DESC_CNT];	// 内核内存块描述符数组
struct pool kernel_pool, user_pool;      // 生成内核内存池和用户内存池
struct virtual_addr kernel_vaddr;	 // 此结构是用来给内核分配虚拟地址

/* 在pf表示的虚拟内存池中申请pg_cnt个虚拟页,
 * 成功则返回虚拟页的起始地址, 失败则返回NULL */
static void* vaddr_get(enum pool_flags pf, uint32_t pg_cnt) {
   int vaddr_start = 0, bit_idx_start = -1;
   uint32_t cnt = 0;
   if (pf == PF_KERNEL) {     // 内核内存池
      bit_idx_start  = bitmap_scan(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, pg_cnt);
      if (bit_idx_start == -1) {
	 return NULL;
      }
      while(cnt < pg_cnt) {
	 bitmap_set(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx_start + cnt++, 1);
      }
      vaddr_start = kernel_vaddr.vaddr_start + bit_idx_start * PG_SIZE;
   } else {	     // 用户内存池	
      struct task_struct* cur = running_thread();
      bit_idx_start  = bitmap_scan(&cur->userprog_vaddr.vaddr_bitmap, pg_cnt);
      if (bit_idx_start == -1) {
	 return NULL;
      }

      while(cnt < pg_cnt) {
	 bitmap_set(&cur->userprog_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx_start + cnt++, 1);
      }
      vaddr_start = cur->userprog_vaddr.vaddr_start + bit_idx_start * PG_SIZE;

   /* (0xc0000000 - PG_SIZE)做为用户3级栈已经在start_process被分配 */
      ASSERT((uint32_t)vaddr_start < (0xc0000000 - PG_SIZE));
   }
   return (void*)vaddr_start;
}

/* 得到虚拟地址vaddr对应的pte指针*/
uint32_t* pte_ptr(uint32_t vaddr) {
   /* 先访问到页表自己 + \
    * 再用页目录项pde(页目录内页表的索引)做为pte的索引访问到页表 + \
    * 再用pte的索引做为页内偏移*/
   uint32_t* pte = (uint32_t*)(0xffc00000 + \
	 ((vaddr & 0xffc00000) >> 10) + \
	 PTE_IDX(vaddr) * 4);
   return pte;
}

/* 得到虚拟地址vaddr对应的pde的指针 */
uint32_t* pde_ptr(uint32_t vaddr) {
   /* 0xfffff是用来访问到页表本身所在的地址 */
   uint32_t* pde = (uint32_t*)((0xfffff000) + PDE_IDX(vaddr) * 4);
   return pde;
}

/* 在m_pool指向的物理内存池中分配1个物理页,
 * 成功则返回页框的物理地址,失败则返回NULL */
static void* palloc(struct pool* m_pool) {
   /* 扫描或设置位图要保证原子操作 */
   int bit_idx = bitmap_scan(&m_pool->pool_bitmap, 1);    // 找一个物理页面
   if (bit_idx == -1 ) {
      return NULL;
   }
   bitmap_set(&m_pool->pool_bitmap, bit_idx, 1);	// 将此位bit_idx置1
   uint32_t page_phyaddr = ((bit_idx * PG_SIZE) + m_pool->phy_addr_start);
   return (void*)page_phyaddr;
}

/* 页表中添加虚拟地址_vaddr与物理地址_page_phyaddr的映射 */
static void page_table_add(void* _vaddr, void* _page_phyaddr) {
   uint32_t vaddr = (uint32_t)_vaddr, page_phyaddr = (uint32_t)_page_phyaddr;
   uint32_t* pde = pde_ptr(vaddr);
   uint32_t* pte = pte_ptr(vaddr);

/************************   注意   *************************
 * 执行*pte,会访问到pde。所以确保pde创建完成后才能执行*pte,
 * 否则会引发page_fault。因此在pde未创建时,
 * *pte只能出现在下面最外层else语句块中的*pde后面。
 * *********************************************************/
   /* 先在页目录内判断目录项的P位，若为1,则表示该表已存在 */
   if (*pde & 0x00000001) {
      ASSERT(!(*pte & 0x00000001));

      if (!(*pte & 0x00000001)) {   // 只要是创建页表,pte就应该不存在,多判断一下放心
	 *pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);    // US=1,RW=1,P=1
      } else {	  // 调试模式下不会执行到此,上面的ASSERT会先执行.关闭调试时下面的PANIC会起作用
	 PANIC("pte repeat");
      }
   } else {	   // 页目录项不存在,所以要先创建页目录项再创建页表项.
      /* 页表中用到的页框一律从内核空间分配 */
      uint32_t pde_phyaddr = (uint32_t)palloc(&kernel_pool);
      *pde = (pde_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);

/*******************   必须将页表所在的页清0   *********************
* 必须把分配到的物理页地址pde_phyaddr对应的物理内存清0,
* 避免里面的陈旧数据变成了页表中的页表项,从而让页表混乱.
* pte的高20位会映射到pde所指向的页表的物理起始地址.*/
      memset((void*)((int)pte & 0xfffff000), 0, PG_SIZE); 
/************************************************************/
      ASSERT(!(*pte & 0x00000001));
      *pte = (page_phyaddr | PG_US_U | PG_RW_W | PG_P_1);      // US=1,RW=1,P=1
   }
}

/* 分配pg_cnt个页空间,成功则返回起始虚拟地址,失败时返回NULL */
void* malloc_page(enum pool_flags pf, uint32_t pg_cnt) {
   ASSERT(pg_cnt > 0 && pg_cnt < 3840);
/***********   malloc_page的原理是三个动作的合成:   ***********
      1通过vaddr_get在虚拟内存池中申请虚拟地址
      2通过palloc在物理内存池中申请物理页
      3通过page_table_add将以上两步得到的虚拟地址和物理地址在页表中完成映射
***************************************************************/
   void* vaddr_start = vaddr_get(pf, pg_cnt);
   if (vaddr_start == NULL) {
      return NULL;
   }
   uint32_t vaddr = (uint32_t)vaddr_start, cnt = pg_cnt;
   struct pool* mem_pool = pf & PF_KERNEL ? &kernel_pool : &user_pool;

/* 因为虚拟地址是连续的,但物理地址可以是不连续的,所以逐个做映射*/
   while (cnt-- > 0) {
      void* page_phyaddr = palloc(mem_pool);

/* 失败时要将曾经已申请的虚拟地址和物理页全部回滚，
 * 在将来完成内存回收时再补充 */
      if (page_phyaddr == NULL) {  
	 return NULL;
      }

      page_table_add((void*)vaddr, page_phyaddr); // 在页表中做映射 
      vaddr += PG_SIZE;		 // 下一个虚拟页
   }
   return vaddr_start;
}

/* 从内核物理内存池中申请pg_cnt页内存,
 * 成功则返回其虚拟地址,失败则返回NULL */
void* get_kernel_pages(uint32_t pg_cnt) {
   lock_acquire(&kernel_pool.lock);
   void* vaddr =  malloc_page(PF_KERNEL, pg_cnt);
   if (vaddr != NULL) {	   // 若分配的地址不为空,将页框清0后返回
      memset(vaddr, 0, pg_cnt * PG_SIZE);
   }
   lock_release(&kernel_pool.lock);
   return vaddr;
}

/* 在用户空间中申请4k内存,并返回其虚拟地址 */
void* get_user_pages(uint32_t pg_cnt) {
   lock_acquire(&user_pool.lock);
   void* vaddr = malloc_page(PF_USER, pg_cnt);
   if (vaddr != NULL) {	   // 若分配的地址不为空,将页框清0后返回
      memset(vaddr, 0, pg_cnt * PG_SIZE);
   }
   lock_release(&user_pool.lock);
   return vaddr;
}

/* 将地址vaddr与pf池中的物理地址关联,仅支持一页空间分配 */
void* get_a_page(enum pool_flags pf, uint32_t vaddr) {
   struct pool* mem_pool = pf & PF_KERNEL ? &kernel_pool : &user_pool;
   lock_acquire(&mem_pool->lock);

   /* 先将虚拟地址对应的位图置1 */
   struct task_struct* cur = running_thread();
   int32_t bit_idx = -1;

/* 若当前是用户进程申请用户内存,就修改用户进程自己的虚拟地址位图 */
   if (cur->pgdir != NULL && pf == PF_USER) {
      bit_idx = (vaddr - cur->userprog_vaddr.vaddr_start) / PG_SIZE;
      ASSERT(bit_idx > 0);
      bitmap_set(&cur->userprog_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx, 1);

   } else if (cur->pgdir == NULL && pf == PF_KERNEL){
/* 如果是内核线程申请内核内存,就修改kernel_vaddr. */
      bit_idx = (vaddr - kernel_vaddr.vaddr_start) / PG_SIZE;
      ASSERT(bit_idx > 0);
      bitmap_set(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap, bit_idx, 1);
   } else {
      PANIC("get_a_page:not allow kernel alloc userspace or user alloc kernelspace by get_a_page");
   }

   void* page_phyaddr = palloc(mem_pool);
   if (page_phyaddr == NULL) {
      lock_release(&mem_pool->lock);
      return NULL;
   }
   page_table_add((void*)vaddr, page_phyaddr); 
   lock_release(&mem_pool->lock);
   return (void*)vaddr;
}

/* 得到虚拟地址映射到的物理地址 */
uint32_t addr_v2p(uint32_t vaddr) {
   uint32_t* pte = pte_ptr(vaddr);
/* (*pte)的值是页表所在的物理页框地址,
 * 去掉其低12位的页表项属性+虚拟地址vaddr的低12位 */
   return ((*pte & 0xfffff000) + (vaddr & 0x00000fff));
}


/* 初始化内存池 */
static void mem_pool_init(uint32_t all_mem) {
   put_str("   mem_pool_init start\n");
   uint32_t page_table_size = PG_SIZE * 256;	  // 页表大小= 1页的页目录表+第0和第768个页目录项指向同一个页表+
                                                  // 第769~1022个页目录项共指向254个页表,共256个页框
   uint32_t used_mem = page_table_size + 0x100000;	  // 0x100000为低端1M内存
   uint32_t free_mem = all_mem - used_mem;
   uint16_t all_free_pages = free_mem / PG_SIZE;		  // 1页为4k,不管总内存是不是4k的倍数,
							  // 对于以页为单位的内存分配策略，不足1页的内存不用考虑了。
   uint16_t kernel_free_pages = all_free_pages / 2;
   uint16_t user_free_pages = all_free_pages - kernel_free_pages;

/* 为简化位图操作，余数不处理，坏处是这样做会丢内存。
好处是不用做内存的越界检查,因为位图表示的内存少于实际物理内存*/
   uint32_t kbm_length = kernel_free_pages / 8;			  // Kernel BitMap的长度,位图中的一位表示一页,以字节为单位
   uint32_t ubm_length = user_free_pages / 8;			  // User BitMap的长度.

   uint32_t kp_start = used_mem;				  // Kernel Pool start,内核内存池的起始地址
   uint32_t up_start = kp_start + kernel_free_pages * PG_SIZE;	  // User Pool start,用户内存池的起始地址

   kernel_pool.phy_addr_start = kp_start;
   user_pool.phy_addr_start   = up_start;

   kernel_pool.pool_size = kernel_free_pages * PG_SIZE;
   user_pool.pool_size	 = user_free_pages * PG_SIZE;

   kernel_pool.pool_bitmap.btmp_bytes_len = kbm_length;
   user_pool.pool_bitmap.btmp_bytes_len	  = ubm_length;

/*********    内核内存池和用户内存池位图   ***********
 *   位图是全局的数据，长度不固定。
 *   全局或静态的数组需要在编译时知道其长度，
 *   而我们需要根据总内存大小算出需要多少字节。
 *   所以改为指定一块内存来生成位图.
 *   ************************************************/
// 内核使用的最高地址是0xc009f000,这是主线程的栈地址.(内核的大小预计为70K左右)
// 32M内存占用的位图是2k.内核内存池的位图先定在MEM_BITMAP_BASE(0xc009a000)处.
   kernel_pool.pool_bitmap.bits = (void*)MEM_BITMAP_BASE;
							       
/* 用户内存池的位图紧跟在内核内存池位图之后 */
   user_pool.pool_bitmap.bits = (void*)(MEM_BITMAP_BASE + kbm_length);
   /******************** 输出内存池信息 **********************/
   put_str("      kernel_pool_bitmap_start:");put_int((int)kernel_pool.pool_bitmap.bits);
   put_str(" kernel_pool_phy_addr_start:");put_int(kernel_pool.phy_addr_start);
   put_str("\n");
   put_str("      user_pool_bitmap_start:");put_int((int)user_pool.pool_bitmap.bits);
   put_str(" user_pool_phy_addr_start:");put_int(user_pool.phy_addr_start);
   put_str("\n");

   /* 将位图置0*/
   bitmap_init(&kernel_pool.pool_bitmap);
   bitmap_init(&user_pool.pool_bitmap);

   lock_init(&kernel_pool.lock);
   lock_init(&user_pool.lock);

   /* 下面初始化内核虚拟地址的位图,按实际物理内存大小生成数组。*/
   kernel_vaddr.vaddr_bitmap.btmp_bytes_len = kbm_length;      // 用于维护内核堆的虚拟地址,所以要和内核内存池大小一致

  /* 位图的数组指向一块未使用的内存,目前定位在内核内存池和用户内存池之外*/
   kernel_vaddr.vaddr_bitmap.bits = (void*)(MEM_BITMAP_BASE + kbm_length + ubm_length);

   kernel_vaddr.vaddr_start = K_HEAP_START;
   bitmap_init(&kernel_vaddr.vaddr_bitmap);
   put_str("   mem_pool_init done\n");
}

/* 为malloc做准备 */
void block_desc_init(struct mem_block_desc* desc_array) {				   
   uint16_t desc_idx, block_size = 16;

   /* 初始化每个mem_block_desc描述符 */
   for (desc_idx = 0; desc_idx < DESC_CNT; desc_idx++) {
      desc_array[desc_idx].block_size = block_size;

      /* 初始化arena中的内存块数量 */
      desc_array[desc_idx].blocks_per_arena = (PG_SIZE - sizeof(struct arena)) / block_size;	  

      list_init(&desc_array[desc_idx].free_list);

      block_size *= 2;         // 更新为下一个规格内存块
   }
}

/* 内存管理部分初始化入口 */
void mem_init() {
   put_str("mem_init start\n");
   uint32_t mem_bytes_total = (*(uint32_t*)(0xb00));
   mem_pool_init(mem_bytes_total);	  // 初始化内存池
/* 初始化mem_block_desc数组descs,为malloc做准备 */
   block_desc_init(k_block_descs);
   put_str("mem_init done\n");
}