RTOS中動靜結(jié)合的內(nèi)存管理實(shí)現(xiàn)

1. 實(shí)時系統(tǒng)內(nèi)存分配

實(shí)時系統(tǒng)分為硬實(shí)時系統(tǒng)和軟實(shí)時系統(tǒng)。硬實(shí)時系統(tǒng)是指系統(tǒng)中各任務(wù)不僅要執(zhí)行無誤而且要做到準(zhǔn)時；軟實(shí)時系統(tǒng)是指系統(tǒng)中各任務(wù)運(yùn)行的越快越好，并不要求限定某一任務(wù)必須在多長時間內(nèi)完成。

可以看出動態(tài)內(nèi)存分配是絕對不能用于硬實(shí)時系統(tǒng)的，因?yàn)閯討B(tài)分配具有時間不確定性（分配時間與內(nèi)存塊數(shù)量有關(guān)），而且動態(tài)分配可能產(chǎn)生分配不成功的情況。所以對于硬實(shí)時系統(tǒng)，只能采用靜態(tài)內(nèi)存分配方式。靜態(tài)分配是指在編譯或鏈接時將程序所需的內(nèi)存空間分配好，這樣不會出現(xiàn)分配失敗的情況。

其實(shí)對于大多數(shù)實(shí)時系統(tǒng)而言，內(nèi)存分配都是采用兩種方式的結(jié)合，即動靜結(jié)合的分配方式。

2. 動靜結(jié)合內(nèi)存分配的一種實(shí)現(xiàn)

對于整個內(nèi)存，把它分為4個部分，即中斷向量區(qū)、系統(tǒng)映射區(qū)、系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)和用戶內(nèi)存區(qū)。如圖1所示。

其中中斷向量表和系統(tǒng)映射區(qū)在編譯時已經(jīng)設(shè)定好，即采用靜態(tài)分區(qū)的方式。剩下的兩個部分可以按用戶要求配置。

2.1 系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)分區(qū)

對于整個系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，還需要要進(jìn)行分區(qū)操作，使它產(chǎn)生多個分區(qū)，每個分區(qū)中內(nèi)存塊的大小相等，各個分區(qū)之間內(nèi)存塊大小不等。這樣來滿足多種內(nèi)存申請需求。

2.1.1 系統(tǒng)分區(qū)類結(jié)構(gòu)定義

系統(tǒng)建立了一個內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)，它由一個指向下一個內(nèi)存塊的指針構(gòu)成，因?yàn)橄到y(tǒng)使用單向鏈表來管理空閑內(nèi)存塊，所以必須用每個內(nèi)存塊的這個指針來讓所有的空閑內(nèi)存塊連成一個鏈表。

圖1 內(nèi)存劃分示意圖

結(jié)構(gòu)如下:

struct memblock

{

void * next;

};

對于內(nèi)存分區(qū)，采用面向?qū)ο蟮姆绞?，這樣減少了全局變量的使用，同時提高了可操作性。系統(tǒng)建立了內(nèi)存分區(qū)類結(jié)構(gòu)。它包含了該分區(qū)的信號量、內(nèi)存區(qū)的起始地址、內(nèi)存塊大小、內(nèi)存塊數(shù)量、空閑內(nèi)存塊數(shù)量、空閑內(nèi)存塊鏈表和鏈表尾部等。類結(jié)構(gòu)定義如下：

class mempartition

{

private:

semphore s;//控制該內(nèi)存分區(qū)的信號量

public:

long *start;//塊起始位置

void *freeulist;//空閑內(nèi)存塊鏈表

void *tail;//空閑內(nèi)存塊鏈表尾部

int unitsize;//內(nèi)存塊大小

short unitnum;//內(nèi)存塊數(shù)量

short freeunum;//空閑內(nèi)存塊數(shù)量

mempartition();//初始化鏈表、信號量

void *GetUnit();//獲取內(nèi)存塊

void PutUnit(void *);//釋放內(nèi)存塊

};

因?yàn)槊總€內(nèi)存分區(qū)都是多任務(wù)共享的，每次只能有一個任務(wù)或中斷服務(wù)程序進(jìn)入該內(nèi)存分區(qū)，所以需要設(shè)置信號量來管理它，當(dāng)然也可以采用關(guān)中斷的方式，關(guān)中斷可能導(dǎo)致中斷響應(yīng)延遲等問題，所以沒有采用這種方式。

圖2 流程圖

2.1.2 系統(tǒng)分區(qū)的實(shí)現(xiàn)

通過Partition_Create()函數(shù)創(chuàng)建一個內(nèi)存分區(qū)，函數(shù)定義為

int Partition_Create(mempartition *mp,unsigned int unum,unsigned int usize);

mp為創(chuàng)建的內(nèi)存分區(qū)，unum為該分區(qū)中內(nèi)存塊數(shù)量，usize為內(nèi)存塊大小。函數(shù)流程圖如圖2所示。

對于塊內(nèi)存的申請，采用c語言提供的malloc函數(shù)從內(nèi)存中申請。這對于程序設(shè)計者而言提供了極大的方便，對于系統(tǒng)分區(qū)不適合嵌入式應(yīng)用（該實(shí)時系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中）需求的情況下，可以刪除該分區(qū)另外再建立。不過這樣做的情況應(yīng)該盡可能少，因?yàn)槎啻握{(diào)用malloc/free會產(chǎn)生較多的內(nèi)存碎片。在做設(shè)計時，應(yīng)該盡可能預(yù)先設(shè)定好分區(qū)數(shù)量和各個分區(qū)中內(nèi)存塊的數(shù)量和大小，盡管系統(tǒng)提供了重建分區(qū)的功能。

每個塊內(nèi)存的第一部分存儲該分區(qū)對象，其后才是各個內(nèi)存塊。在內(nèi)存塊空閑時，其內(nèi)部存儲了下一個節(jié)點(diǎn)的的指針。分配以后，該信息丟失，直接分配給申請者，這樣省掉了存儲每個內(nèi)存塊信息額外的RAM開銷。內(nèi)存釋放時，直接加到該分區(qū)空閑內(nèi)存鏈表的尾部，同時設(shè)定下一個節(jié)點(diǎn)內(nèi)存塊信息為NULL。這樣在多次分配與釋放后，內(nèi)存塊的位置會發(fā)生比較大的變化。

系統(tǒng)設(shè)置了一個全局鏈表 mempartion **partition_list 來存儲所有的內(nèi)存分區(qū)指針，該鏈表的長度可以動態(tài)定義。也就是說分區(qū)的數(shù)量可以動態(tài)定義。鏈表中的分區(qū)需要進(jìn)行排序，排序的標(biāo)準(zhǔn)是每個分區(qū)中內(nèi)存塊的大小，內(nèi)存塊小的分區(qū)排在前面，內(nèi)存塊大的排在后面。因?yàn)榉謪^(qū)采用首次適配的算法，排序以后可以減少內(nèi)存浪費(fèi)。

同時，系統(tǒng)提供了Mem_Alloc/Mem_Free兩個函數(shù)來支持系統(tǒng)分區(qū)的申請和釋放。申請的算法很簡單，采用首次適配方法從分區(qū)鏈表中找到合適內(nèi)存分區(qū)，如果該區(qū)空閑內(nèi)存鏈表不為空，則返回該鏈表第一個內(nèi)存塊地址，否則查看下一個分區(qū)。如果找不到合適的內(nèi)存塊，則返回空指針。

釋放算法稍微復(fù)雜一些，它需要先檢查該內(nèi)存塊屬于哪個分區(qū)。這樣做非常必要，如果把一個小塊放到大塊的內(nèi)存分區(qū)中，一個任務(wù)申請了該空間，則該空間的一部分將跨越到另一個內(nèi)存塊，對該內(nèi)存塊的操作可能覆蓋另一個內(nèi)存塊的數(shù)據(jù)。如果把一個大塊放到了小塊的分區(qū)中，則在分配的時候?qū)⒎峙淞硕嘤嗟目臻g，造成了內(nèi)存空間的浪費(fèi)。找到所圖2創(chuàng)建內(nèi)存分區(qū)流程圖屬分區(qū)后，直接把該塊放到該區(qū)空閑內(nèi)存鏈表的尾部。

上述系統(tǒng)分區(qū)的方式其實(shí)是小范圍動態(tài)分區(qū)上實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)方式。因?yàn)槊總€內(nèi)存塊大小是固定的，這樣不可避免地要浪費(fèi)一部分空間。對于這個問題的解決，系統(tǒng)還提供了一種純動態(tài)的解決辦法，就是調(diào)用malloc/free函數(shù)來申請內(nèi)存塊。

2.1.3 內(nèi)存用戶區(qū)的動態(tài)內(nèi)存分配

從內(nèi)存劃分圖中可以看到有一塊用戶內(nèi)存區(qū)，這是一塊內(nèi)核不會使用的內(nèi)存區(qū)。該區(qū)留給用戶使用，對于這塊區(qū)域的申請和釋放不調(diào)用系統(tǒng)提供的Mem_Alloc/Mem_Free函數(shù)，而是直接調(diào)用c語言提供的malloc/free函數(shù)。malloc具有不確定性，因?yàn)樗膱?zhí)行時間和空閑內(nèi)存塊的數(shù)量有關(guān)，而且多次使用malloc/free調(diào)用和釋放內(nèi)存塊，可能產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片。所以這種方式的調(diào)用要謹(jǐn)慎。由于用戶內(nèi)存區(qū)大小是可配置的，所以用戶可以控制該區(qū)大小以減少碎片產(chǎn)生的問題。同時對于系統(tǒng)調(diào)用，例如任務(wù)堆棧分配，不會因?yàn)樗槠喽鴮?dǎo)致分配失敗的問題。

3. 小結(jié)

動靜結(jié)合的方式給用戶提供了比較大的自由度，用戶可以從系統(tǒng)分區(qū)中申請內(nèi)存塊，也可以從用戶內(nèi)存區(qū)申請內(nèi)存塊。這樣增加了系統(tǒng)的靈活性，同時也限制了大量碎片產(chǎn)生的可能（在不頻繁刪除建立系統(tǒng)內(nèi)存分區(qū)的前提下）。也增加了部分c代碼的可移植性。