一種嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存分配方案

MemLib庫(kù)中提供了增強(qiáng)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(xiàng)?？梢詸z測(cè)2類錯(cuò)誤：

①嘗試分配太大的內(nèi)存;

②釋放內(nèi)存時(shí)發(fā)現(xiàn)壞塊。

有4種錯(cuò)誤處理選項(xiàng)，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)記錄消息或掛起任務(wù)。 但是，使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配malloc/free時(shí)要注意到以下幾方面的限制。

①因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)存分區(qū)是一種臨界資源，由信號(hào)量保護(hù)，使用malloc會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前調(diào)用掛起，因此它不能用于中斷服務(wù)程序;

②因?yàn)檫M(jìn)行內(nèi)存分配需要執(zhí)行查找算法，其執(zhí)行時(shí)間與系統(tǒng)當(dāng)前的內(nèi)存使用情況相關(guān)，是不確定的，因此對(duì)于有規(guī)定時(shí)限的操作它是不適宜的;

③由于采用簡(jiǎn)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(duì)這種情況，一般在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用靜態(tài)分配與動(dòng)態(tài)分配相結(jié)合的方法。也就是對(duì)于重要的應(yīng)用，在系統(tǒng)初始化時(shí)分配好所需要的內(nèi)存。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不再進(jìn)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(lái)的總是。而且在系統(tǒng)初始化，因?yàn)闆]有內(nèi)存碎片，對(duì)于大的內(nèi)存塊的需求容易滿足。對(duì)于其它的應(yīng)用，在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)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(shí)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(xì)介紹這種內(nèi)存分配方案及其應(yīng)用場(chǎng)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(jì)中，經(jīng)常有一些類似于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用。這些應(yīng)用的特點(diǎn)是在內(nèi)存中管理一些樹，比如以太網(wǎng)交換機(jī)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(diǎn)組成的。這樣，就可以每次分配一個(gè)大的緩沖池，比如包含多個(gè)內(nèi)存單元的數(shù)組，每個(gè)內(nèi)存單元用于1個(gè)節(jié)點(diǎn)。我們用一個(gè)空閑鏈表來(lái)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(gè)新的節(jié)點(diǎn)時(shí)，就從空閑鏈表中取1個(gè)單元給調(diào)用者。程序刪除節(jié)點(diǎn)并釋放內(nèi)存時(shí)，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(gè)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(diǎn)：

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

②因?yàn)閺木彌_池中取一個(gè)內(nèi)存單元是時(shí)間確定的(當(dāng)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(yán)格時(shí)限的場(chǎng)合從而保證實(shí)時(shí)性;

③它給用戶以自由來(lái)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(jì)功能，更好地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中內(nèi)存的使用情況。

這種方案必然涉及到一個(gè)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：?jiǎn)卧叽纭K尺寸(或者單元數(shù)目)、緩沖池指針、空閑鏈表、用于統(tǒng)計(jì)和調(diào)試的參數(shù)等。對(duì)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(gè)內(nèi)存單元、釋放內(nèi)存單元回緩沖池等。下面舉2個(gè)例子說(shuō)明一下該方案的具體使用情況。

4.1 Intel交換機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中內(nèi)存分配

4.1 Intel交換機(jī)驅(qū)動(dòng)程序中內(nèi)存分配

在以Intel的交換芯片為基礎(chǔ)的交換機(jī)方案中，因?yàn)椴捎玫氖擒浖刂穼W(xué)習(xí)的方式，需要在內(nèi)存中維護(hù)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(gè)樹由一些固定尺寸的節(jié)點(diǎn)組成。一般每個(gè)節(jié)點(diǎn)幾十個(gè)字節(jié)，每棵樹的節(jié)點(diǎn)數(shù)是可增長(zhǎng)的，少則幾十，最多可到16K個(gè)節(jié)點(diǎn)。

因此，很適合于采用該方案，具體的實(shí)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(gè)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：?jiǎn)卧叽?、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(guò)程如下：

①檢驗(yàn)參數(shù)合法性。

②單元尺寸4字節(jié)對(duì)齊，計(jì)算每個(gè)塊中的單元數(shù)。對(duì)內(nèi)存指針進(jìn)行4字節(jié)對(duì)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(gè)內(nèi)存塊的指針。如果內(nèi)存是外來(lái)的，設(shè)置塊已用標(biāo)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(gè)單元處于鏈表的最前面。

⑤返回BlockMemMgr。

◆block_mem_destroy：解構(gòu)一個(gè)塊內(nèi)存管理器，釋放它所分配的所有內(nèi)存，調(diào)用者負(fù)責(zé)外部?jī)?nèi)存的釋放。參數(shù)為BlockMemMgr。返回成功失敗標(biāo)志。

①參數(shù)合法性檢測(cè)。

②刪除單向鏈表(設(shè)鏈表指針為NULL)。

③如果塊是動(dòng)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(gè)單元

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

①參數(shù)合法性檢測(cè)。

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(dòng)態(tài)分配塊，如果不能，返回失敗;如果可以動(dòng)態(tài)分配塊，則分配1個(gè)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(gè)單元，返回其指針。 注意這里有一個(gè)小技巧，即數(shù)據(jù)單元在空閑時(shí)其中存放空閑鏈表的節(jié)點(diǎn)信息，而分配后則存放數(shù)據(jù)內(nèi)容。

◆block_free：釋放1個(gè)數(shù)據(jù)單元，返回塊內(nèi)存管理器。小心不要對(duì)1個(gè)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(cè)。 ②地址比較，判斷數(shù)據(jù)單元屬于哪個(gè)塊。 ③判斷數(shù)據(jù)單元的內(nèi)容是否為空閑鏈表節(jié)點(diǎn)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(shí)際可寫的內(nèi)存;②分配內(nèi)存是4字節(jié)或32位對(duì)齊;③block_malloc、block_free在中斷級(jí)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?yàn)槠渲惺褂昧诵盘?hào)量和搜索算法，容易引起中斷服務(wù)程序阻塞)。當(dāng)然，block_mem_create和block_mem_destroy必須在進(jìn)程級(jí)調(diào)用。