المرحلة الثالثة: الذاكرة الافتراضية ومخصص الكومة

هذه المرحلة تُمثّل نقطة تحول جوهرية في تطوير النواة. قبلها، كنا محدودين بالمتغيرات الثابتة (static) والمكدس (stack) فقط. الآن، النواة تملك ذاكرة ديناميكية كاملة — تستطيع إنشاء هياكل بيانات بأحجام متغيرة في وقت التشغيل تماماً كأي برنامج Rust عادي.

ما تم إنجازه:

1. مدير الذاكرة الافتراضية (VMM - kernel/mm/vmm.rs)

• بناء نظام إدارة 4-Level Paging من الصفر في Rust.
• تنفيذ map_page(virt, phys, flags) التي تمشي في الجداول الأربعة (PML4 → PDP → PD → PT) وتنشئ جداولاً جديدة عند الحاجة باستخدام alloc_frame() من PMM.
• تنفيذ unmap_page(virt) مع تحديث TLB عبر تعليمة invlpg.
• القاعدة الذهبية: كل إطار مخصص لجدول صفحات يُصفّر فوراً (zero_frame) قبل الاستخدام لمنع بيانات عشوائية قديمة من أن تُفسّر كإدخالات صحيحة (Present=1) مما قد يسبب corruption صامت.

2. مخصص الكومة (Heap Allocator - kernel/mm/heap.rs)

• الخوارزمية: Linked-List Free-List — كل كتلة حرة تحتوي حجمها ومؤشراً للكتلة التالية.
• دمج الكتل (Coalescing): عند تحرير كتلة، يُفحص الجيران. إذا كانوا متجاورين بالذاكرة، يُدمجون لكتلة أكبر واحدة. هذا يمنع تفتت الذاكرة (fragmentation).
• حماية المقاطعات (Interrupt Safety): المخصص محمي بطبقتين:
  1. spin::Mutex لمنع التزامن بين الخيوط
  2. cli/sti (تعطيل/تفعيل المقاطعات) لمنع إعادة الدخول (reentrancy) إذا حاول معالج مقاطعة تخصيص ذاكرة أثناء عملية تخصيص جارية.
• منطقة الكومة: تبدأ عند 0x4444_4444_0000 بحجم 256KB (64 صفحة)، مصممة لتكون قابلة للتوسعة بدون إعادة تصميم.

3. تفعيل alloc crate

• إضافة "alloc" إلى build-std في إعدادات Cargo.
• تسجيل المخصص عبر #[global_allocator].
• تنفيذ #[alloc_error_handler] لعرض تفاصيل الخطأ عند فشل التخصيص.

النتيجة النهائية

النواة تعمل بكامل قدراتها الديناميكية:

• Vec::push(1, 2, 3) → [1, 2, 3] ✅
• Box::new(42) → 42 ✅
• String::from("QOS") → "QOS" ✅

الذاكرة الحرة بعد تهيئة الكومة: 123 ميغابايت (31677 إطار) من أصل 128 ميغابايت.