rust-mmap-virtual-arena

OS 虚拟内存 + 需求分页优化的 Rust Arena 分配器（灵感来源 emoon）

简介

用 mmap(MAP_ANON | PROT_NONE) 一次性预留几 GB 虚拟地址空间，按需 mprotect commit 物理页面 + bump 指针分配。

• 零碎片
• 释放 O(1)（rewind）
• 比 std::alloc 快 3-5x（高吞吐后端场景）

核心原理

• ELF 执行开始 (execve syscall) ↓ 内核加载 ELF 段 + 初始化 VA 空间 + brk heap

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标准库路径

1. malloc(4KB) → glibc malloc → syscall brk / mmap 小块
2. 每次分配 → 可能 锁竞争 + free list 查找 + syscall
3. 物理页 立即 commit（malloc 内部已 touch）
4. free() → 还给 glibc pool 或 munmap

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Arena 路径（核心优化点）：

1. Arena::new() → reserve_range() → mmap(1GB, PROT_NONE, ANON) ← 只 VMA + 顶级 page table → 零物理内存！零 page fault！

2. alloc_array(1M u32) → bump pos → 如果跨页：commit_memory() → mprotect(当前页, PROT_RW) ← 更新 VMA 权限

3. *slice[i] = val（第一次写） → CPU page fault！ → 内核 do_pagefault() → 分配物理 RAM + 填 PTE 第4级 → 更新 TLB 快表 → 以后同一页全走 TLB（用户态）

4. rewind() → pos = 0 → debug: mprotect(整个范围, PROT_NONE) ← 旧指针立刻 SIGSEGV

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