R TOS動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機(jī)制的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機(jī)制
1．1 動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理概述
在許多小型嵌入式系統(tǒng)中并未實(shí)現(xiàn)虛擬內(nèi)存機(jī)制，動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機(jī)制仍然是首選。分區(qū)存儲(chǔ)管理是滿足多道程序設(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)管理方法，它允許多個(gè)用戶程序同時(shí)存在系統(tǒng)內(nèi)存中，即共享內(nèi)存空間。早期的分區(qū)存儲(chǔ)管理采用固定分區(qū)的方法，把內(nèi)存空間分成若干個(gè)大小不等的區(qū)域，稱為分區(qū)。每個(gè)用戶程序(作業(yè)、進(jìn)程)調(diào)入內(nèi)存后，占用其中1個(gè)分區(qū)，程序運(yùn)行完成后釋放該分區(qū)。這種存儲(chǔ)管理方法的主要問(wèn)題是內(nèi)存使用效率極低，很快就被淘汰了。取而代之的是動(dòng)態(tài)分區(qū)存儲(chǔ)管理技術(shù)。圖1顯示的是動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1．2 動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存分收算法及其性能分析
在動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配機(jī)制中一般采用兩種設(shè)計(jì)方案：最佳適應(yīng)算法和首次適應(yīng)算法。最佳適應(yīng)算法要求所有的空閑內(nèi)存塊按照內(nèi)存塊的大小，由小到大鏈接在一起。首次適應(yīng)算法中所有的空閑內(nèi)存塊都是按地址由小到大鏈接的。圖2顯示了這2種算法的流程(假設(shè)系統(tǒng)申請(qǐng)的內(nèi)存塊大小為n)。

最佳適應(yīng)算法和首次適應(yīng)算法在分配內(nèi)存的流程上是一致的，然而由于空閑內(nèi)存塊的組織形式不同，其分配的性能也不盡相同。最佳適應(yīng)算法由于每次分配都是首先分配與所要求的內(nèi)存塊大小最接近的空閑內(nèi)存塊，因而其內(nèi)存利用率相對(duì)較高。然而由于在內(nèi)存回收過(guò)程中需要合并那些地址相鄰的空閑塊，最佳適應(yīng)算法往往需要遍歷整個(gè)空閑區(qū)鏈表以尋找符合條件的內(nèi)存塊。而首次適應(yīng)算法由于是按照地址的順序相連，因而在內(nèi)存回收方面有著最佳適應(yīng)算法無(wú)法比擬的性能。
圖3顯示了在幾種不同情況下，動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存回收機(jī)制所采取的策略。

在A中，釋放區(qū)回收后合并成新內(nèi)存塊f，其首地址為f1內(nèi)存塊的首地址，大小為f1和R內(nèi)存塊的大小之和。在B中，釋放區(qū)回收后合并成新內(nèi)存塊f，其首地址為R內(nèi)存塊的首地址，大小為f1和R內(nèi)存塊的大小之和。在C中，釋放區(qū)回收后合并成新內(nèi)存塊f，其首地址為f1內(nèi)存塊的首地址，大小為f1和R以及f2內(nèi)存塊的大小之和。在D中，釋放區(qū)回收后不進(jìn)行合并，直接插入空閑區(qū)鏈表并返回。
動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存的分配機(jī)制有效地避免了內(nèi)存內(nèi)部碎片的存在，同時(shí)在內(nèi)存回收策略中使用合并算法也極大地減少了內(nèi)存外部碎片存在的可能性。然而，當(dāng)系統(tǒng)需要分配大量的小塊內(nèi)存時(shí)，動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機(jī)制的性能卻并不令人滿意。其不足之處主要存在以下2個(gè)方面：
①當(dāng)系統(tǒng)分配大量的小塊內(nèi)存后，其空閑區(qū)表或空閑區(qū)隊(duì)列將會(huì)變得異常龐大。無(wú)論是首次適配算法還是最佳適應(yīng)算法都需要遍歷空閑區(qū)搜索合適的內(nèi)存塊，因此過(guò)于龐大的空閑區(qū)結(jié)構(gòu)使搜索算法變得低效。
②系統(tǒng)在某些特定的時(shí)刻往往會(huì)對(duì)大量的小塊內(nèi)存進(jìn)行頻繁分配和回收。頻繁地對(duì)小塊內(nèi)存進(jìn)行分割分配和合并回收，其實(shí)時(shí)性表現(xiàn)得并不令人滿意。
基于以上2點(diǎn)，如何在動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機(jī)制的基礎(chǔ)上優(yōu)化小塊內(nèi)存的管理機(jī)制，成為提高動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理性能的關(guān)鍵因素之一。

2 小塊內(nèi)存動(dòng)態(tài)緩存分配機(jī)制
大部分實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)存分配機(jī)制并未對(duì)大塊內(nèi)存和小塊內(nèi)存的分配做出不同的算法設(shè)計(jì)，然而在實(shí)際分配過(guò)程中，很難用一種分配算法兼顧大小內(nèi)存的高效分配。針對(duì)動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機(jī)制中對(duì)小塊內(nèi)存分配的局限性，提出了小塊內(nèi)存動(dòng)態(tài)緩存機(jī)制。該機(jī)制在繼承了動(dòng)態(tài)分區(qū)管理機(jī)制優(yōu)良性能的同時(shí)，優(yōu)化了小塊內(nèi)存的管理，對(duì)內(nèi)存管理的實(shí)時(shí)性和高效性都有一定提高。系統(tǒng)中同時(shí)存在2種內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別為小塊內(nèi)存和大塊內(nèi)存設(shè)計(jì)。大塊內(nèi)存依舊采取動(dòng)態(tài)分區(qū)內(nèi)存管理機(jī)制，而小塊內(nèi)存采取動(dòng)態(tài)緩存分配。小塊內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。