一種嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存分配方案

MemLib庫中提供了增強的內(nèi)存分區(qū)管理工具，并且增加了一些接口，而且可以設(shè)置調(diào)試選項?？梢詸z測2類錯誤：

①嘗試分配太大的內(nèi)存;

②釋放內(nèi)存時發(fā)現(xiàn)壞塊。

有4種錯誤處理選項，當發(fā)生錯誤時記錄消息或掛起任務(wù)。 但是，使用動態(tài)內(nèi)存分配malloc/free時要注意到以下幾方面的限制。

①因為系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)是一種臨界資源，由信號量保護，使用malloc會導(dǎo)致當前調(diào)用掛起，因此它不能用于中斷服務(wù)程序;

②因為進行內(nèi)存分配需要執(zhí)行查找算法，其執(zhí)行時間與系統(tǒng)當前的內(nèi)存使用情況相關(guān)，是不確定的，因此對于有規(guī)定時限的操作它是不適宜的;

③由于采用簡單的最先匹配算法，容易導(dǎo)致系統(tǒng)中存在大量的內(nèi)存碎片，降低內(nèi)存使用效率和系統(tǒng)性能。 針對這種情況，一般在系統(tǒng)設(shè)計時采用靜態(tài)分配與動態(tài)分配相結(jié)合的方法。也就是對于重要的應(yīng)用，在系統(tǒng)初始化時分配好所需要的內(nèi)存。在系統(tǒng)運行過程中不再進行內(nèi)存的分配/釋放，這樣就避免了因內(nèi)存的分配釋放帶來的總是。而且在系統(tǒng)初始化，因為沒有內(nèi)存碎片，對于大的內(nèi)存塊的需求容易滿足。對于其它的應(yīng)用，在運行時進行動態(tài)內(nèi)存分配。尤其是某些應(yīng)用所要求的大量固定尺寸的小內(nèi)存塊，這時就可以采用一次分配多次使用的內(nèi)存分配方案。下面詳細介紹這種內(nèi)存分配方案及其應(yīng)用場合。

4 一次分配多次使用的內(nèi)存分配方案

在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，經(jīng)常有一些類似于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用。這些應(yīng)用的特點是在內(nèi)存中管理一些樹，比如以太網(wǎng)交換機中的MAC地址表、VLAN表等，或者路由器中的路由表。這些樹是由許多相同尺寸的節(jié)點組成的。這樣，就可以每次分配一個大的緩沖池，比如包含多個內(nèi)存單元的數(shù)組，每個內(nèi)存單元用于1個節(jié)點。我們用一個空閑鏈表來管理該數(shù)組中的空閑內(nèi)存單元。每次程序需要分配內(nèi)存以創(chuàng)建1個新的節(jié)點時，就從空閑鏈表中取1個單元給調(diào)用者。程序刪除節(jié)點并釋放內(nèi)存時，將釋放的內(nèi)存單元返還給空閑鏈表。如果鏈表中的空閑內(nèi)存單元取空了，就再次調(diào)用malloc從系統(tǒng)內(nèi)存中分配一個大的內(nèi)存塊作為新的緩沖池。

采用這樣一種方案主要有如下優(yōu)點：

①減少了malloc/free的調(diào)用次數(shù)，從而降低了風險，減少了碎片;

②因為從緩沖池中取一個內(nèi)存單元是時間確定的(當然，如果緩沖池耗盡從而需要重新調(diào)用malloc分配除外)，因此它可以用于嚴格時限的場合從而保證實時性;

③它給用戶以自由來添加一些用于內(nèi)存分配和釋放的調(diào)試函數(shù)以及一些統(tǒng)計功能，更好地監(jiān)測系統(tǒng)中內(nèi)存的使用情況。

這種方案必然涉及到一個緩沖池的結(jié)構(gòu)。

一般緩沖池的結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：單元尺寸、塊尺寸(或者單元數(shù)目)、緩沖池指針、空閑鏈表、用于統(tǒng)計和調(diào)試的參數(shù)等。對緩沖池的操作包括創(chuàng)建緩沖池、釋放緩沖池、從緩沖池中分配1個內(nèi)存單元、釋放內(nèi)存單元回緩沖池等。下面舉2個例子說明一下該方案的具體使用情況。

4.1 Intel交換機驅(qū)動程序中內(nèi)存分配

4.1 Intel交換機驅(qū)動程序中內(nèi)存分配

在以Intel的交換芯片為基礎(chǔ)的交換機方案中，因為采用的是軟件地址學(xué)習(xí)的方式，需要在內(nèi)存中維護許多數(shù)據(jù)，如MAC地址表的軟拷貝、VLAN表、靜態(tài)單播地址表、組播地址表等。這些表都是由一些樹組成，每個樹由一些固定尺寸的節(jié)點組成。一般每個節(jié)點幾十個字節(jié)，每棵樹的節(jié)點數(shù)是可增長的，少則幾十，最多可到16K個節(jié)點。

因此，很適合于采用該方案，具體的實現(xiàn)如下：

(1)緩沖池結(jié)構(gòu) BlockMemMgr typedef struct{ MemSize data_cell_size; /*數(shù)據(jù)單元的尺寸*/ MemSize block_size; /*塊尺寸*/ /*下面的變量為預(yù)定義的每個管理器最多包含的塊數(shù)，如64 MAX_BLOCKS_OF_MEM_SIZE*/ Unsigned short blocks_being_used;/*已使用的塊數(shù)*/ Void mem_ptr[PAX_BLOCKS_OF_MEM_SIZE]; /*塊數(shù)組*/ SLList free_data_cells_list; /*空閑鏈表*/ }BlockMemMgr; 結(jié)構(gòu)中的參數(shù)包括：單元尺寸、塊尺寸、已用塊數(shù)、所有塊的地址、空閑鏈表(單向鏈表)。

(2)緩沖池的管理函數(shù)

◆block_mem_create：創(chuàng)建塊內(nèi)存管理器，參數(shù)包括內(nèi)存指針(如為NULL，表示自己分配)、塊尺寸、單元尺寸、返回管理器指針。 過程如下：

①檢驗參數(shù)合法性。

②單元尺寸4字節(jié)對齊，計算每個塊中的單元數(shù)。對內(nèi)存指針進行4字節(jié)對齊或者分配內(nèi)存指針。

③初始化結(jié)構(gòu)BlockMemMgr，包括單元尺寸和塊尺寸。設(shè)置第1個內(nèi)存塊的指針。如果內(nèi)存是外來的，設(shè)置塊已用標志(已用為0)，表示不能增加塊;否則，已用塊數(shù)設(shè)為1。

④創(chuàng)建空閑鏈表，將塊內(nèi)所有單元添加到鏈表中，最后一個單元處于鏈表的最前面。

⑤返回BlockMemMgr。

◆block_mem_destroy：解構(gòu)一個塊內(nèi)存管理器，釋放它所分配的所有內(nèi)存，調(diào)用者負責外部內(nèi)存的釋放。參數(shù)為BlockMemMgr。返回成功失敗標志。

①參數(shù)合法性檢測。

②刪除單向鏈表(設(shè)鏈表指針為NULL)。

③如果塊是動態(tài)分配的，釋放它們。 ④釋放結(jié)構(gòu)BlockMemMgr。

◆block_malloc：從塊內(nèi)存管理器中分配1個單元

◆block_malloc：從塊內(nèi)存管理器中分配1個單元。參數(shù)為BlockMemMgr，返回數(shù)據(jù)單元指針。

①參數(shù)合法性檢測。

②判斷空閑鏈表是否為空(是否為NULL)。如果為空，判斷是否可以動態(tài)分配塊，如果不能，返回失敗;如果可以動態(tài)分配塊，則分配1個塊，執(zhí)行與 block_mem_create一樣的操作。

③從空閑鏈表中分配第1個單元，返回其指針。 注意這里有一個小技巧，即數(shù)據(jù)單元在空閑時其中存放空閑鏈表的節(jié)點信息，而分配后則存放數(shù)據(jù)內(nèi)容。

◆block_free：釋放1個數(shù)據(jù)單元，返回塊內(nèi)存管理器。小心不要對1個單元釋放2次。參數(shù)為BlockMemMgr和單元指針。 ①參數(shù)合法性檢測。 ②地址比較，判斷數(shù)據(jù)單元屬于哪個塊。 ③判斷數(shù)據(jù)單元的內(nèi)容是否為空閑鏈表節(jié)點信息(也就是塊內(nèi)某單元的地址)，從而確定是否為2次釋放。 ④將該數(shù)據(jù)單元插入到空閑鏈表的前面。 ⑤引用該單元的指針設(shè)為NULL。 內(nèi)存管理代碼遵守如下約定：①管理的內(nèi)存是實際可寫的內(nèi)存;②分配內(nèi)存是4字節(jié)或32位對齊;③block_malloc、block_free在中斷級調(diào)用是部分安全的，除非BLOCK中已經(jīng)沒有空閑CELL，需要重新調(diào)用malloc分配新的BLOCK(而malloc和free就不是安全的，因為其中使用了信號量和搜索算法，容易引起中斷服務(wù)程序阻塞)。當然，block_mem_create和block_mem_destroy必須在進程級調(diào)用。