Rust虚拟机内存分配库vm-allocator的使用，高效管理虚拟内存和物理内存的分配与回收

vm-allocator 是一个专为虚拟化管理器(VMM)设计的Rust库，用于在虚拟机生命周期内提供资源分配和释放策略。它可以管理以下类型的资源：

• MMIO地址
• PIO地址
• GSI编号
• 设备ID等

该库提供了两种分配器：

1. IdAllocator - 用于分配可表示为整数类型的资源
2. AddressAllocator - 用于在不同地址空间中分配地址范围

ID分配器(IdAllocator)

设计原理

IdAllocator 用于分配可简化为整数类型的资源，如传统GSI编号或KVM内存插槽ID。其内部使用BTreeSet来存储已释放的ID，平均插入和删除复杂度为O(log N)。

分配策略

分配新ID时总是尝试返回最小的可用ID：

1. 首先在已释放ID集合中搜索
2. 如果没有找到，则返回从未分配过的范围内的下一个ID

使用方法

首先在Cargo.toml中添加依赖：

[dependencies]
vm-allocator = "*"

然后在项目中使用：

extern crate vm_allocator;
use vm_allocator::IdAllocator;

fn main() {
    // 创建一个ID分配器，管理0-1000范围内的ID
    let mut id_allocator = IdAllocator::new(0, 1000).unwrap();
    
    // 分配一个ID
    let id1 = id_allocator.allocate().unwrap();
    println!("Allocated ID: {}", id1);
    
    // 分配另一个ID
    let id2 = id_allocator.allocate().unwrap();
    println!("Allocated ID: {}", id2);
    
    // 释放第一个ID
    id_allocator.release(id1).unwrap();
    println!("Released ID: {}", id1);
    
    // 再次分配应该会重用已释放的ID
    let id3 = id_allocator.allocate().unwrap();
    println!("Allocated ID: {}", id3); // 应该会返回之前释放的id1
}

地址分配器(AddressAllocator)

AddressAllocator 是IntervalTree的封装，增加了地址范围的语义。它支持配置对齐等参数。

下面是使用AddressAllocator的完整示例：

extern crate vm_allocator;
use vm_allocator::{AddressAllocator, AllocationPolicy, AddressAllocatorConfig};

fn main() {
    // 配置地址分配器参数
    let config = AddressAllocatorConfig {
        // 起始地址
        start: 0x1000,
        // 结束地址
        end: 0xFFFF_FFFF,
        // 默认对齐要求
        default_align: 0x1000,
        // 分配策略
        policy: AllocationPolicy::FirstMatch,
    };
    
    // 创建地址分配器
    let mut addr_allocator = AddressAllocator::new(config).unwrap();
    
    // 分配一个4KB的内存区域
    let alloc1 = addr_allocator.allocate(0x1000, 0x1000, None).unwrap();
    println!("Allocated memory: 0x{:X}-0x{:X}", alloc1.start, alloc1.end);
    
    // 分配一个2MB的大页内存
    let alloc2 = addr_allocator.allocate(0x20_0000, 0x20_0000, None).unwrap();
    println!("Allocated huge page: 0x{:X}-0x{:X}", alloc2.start, alloc2.end);
    
    // 释放第一个分配
    addr_allocator.release(alloc1).unwrap();
    println!("Released first allocation");
    
    // 再次分配
    let alloc3 = addr_allocator.allocate(0x1000, 0x1000, None).unwrap();
    println!("Allocated memory: 0x{:X}-0x{:X}", alloc3.start, alloc3.end);
    // 应该会重用之前释放的空间
}

完整示例demo

以下是一个结合了ID分配器和地址分配器的完整示例：

extern crate vm_allocator;
use vm_allocator::{
    IdAllocator, 
    AddressAllocator,
    AddressAllocatorConfig,
    AllocationPolicy
};

fn main() {
    // ========== ID分配器示例 ==========
    println!("=== ID分配器演示 ===");
    
    // 创建ID分配器，管理0-100的ID范围
    let mut id_alloc = IdAllocator::new(0, 100).unwrap();
    
    // 分配3个ID
    let id1 = id_alloc.allocate().unwrap();
    let id2 = id_alloc.allocate().unwrap();
    let id3 = id_alloc.allocate().unwrap();
    println!("分配ID: {}, {}, {}", id1, id2, id3);
    
    // 释放第二个ID
    id_alloc.release(id2).unwrap();
    println!("释放ID: {}", id2);
    
    // 再次分配，应该重用id2
    let id4 = id_alloc.allocate().unwrap();
    println!("新分配ID: {} (应该与之前释放的ID相同)", id4);
    
    // ========== 地址分配器示例 ==========
    println!("\n=== 地址分配器演示 ===");
    
    // 配置地址空间从1MB到4GB
    let config = AddressAllocatorConfig {
        start: 0x10_0000,      // 1MB
        end: 0xFFFF_FFFF,      // 4GB
        default_align: 0x1000,  // 4KB对齐
        policy: AllocationPolicy::FirstMatch,
    };
    
    let mut addr_alloc = AddressAllocator::new(config).unwrap();
    
    // 分配64KB内存
    let region1 = addr_alloc.allocate(0x10000, 0x1000, None).unwrap();
    println!("分配内存区域1: 0x{:X}-0x{:X}", region1.start, region1.end);
    
    // 分配1MB内存
    let region2 = addr_alloc.allocate(0x10_0000, 0x1000, None).unwrap();
    println!("分配内存区域2: 0x{:X}-0x{:X}", region2.start, region2.end);
    
    // 释放第一个区域
    addr_alloc.release(region1).unwrap();
    println!("释放区域1");
    
    // 再次分配32KB内存，应该重用region1的空间
    let region3 = addr_alloc.allocate(0x8000, 0x1000, None).unwrap();
    println!("分配内存区域3: 0x{:X}-0x{:X}", region3.start, region3.end);
    println!("新区域应在原区域1范围内: {}", 
        region3.start >= region1.start && region3.end <= region1.end);
}

许可证

本项目采用以下任一许可证：

• Apache License, Version 2.0
• BSD-3-Clause License